基于SCAPS的新型超薄CIGS太阳能电池仿真
—《International Journal of Hydrogen Energy》第42卷15期
H.Herichea ;Z.Rouabaha; N.Bouarissab
文章亮点
- 通过增加吸收层的厚度来改善CIGS太阳能电池的性能。
- 降低CIGS太阳能电池的成本。
- 提出太阳能电池结构特点可以增加其效率。
摘要
本文主要研究了超薄黄铜矿Cu(In，Ga)Se(CIGS)太阳能电池的性能。通过使用SCAPS模拟仿真，提出了一种可替换的ZnO / CdS / CIGS / Si。该模拟仿真的主要目的是使用比传统CIGS更便宜的材料来提高器件效率。为此，添加了一层新的1mu;m厚度的p-Si。采用各种不同厚度的CIGS 吸收层，其范围为0.1至1mu;m。研究结果表明，吸收层厚度的增加会使新CIGS太阳能电池的性能提高。并且发现最佳结构必须具有窗口层(ZnO)，缓冲层(CdS)，吸收层(CIGS)和厚度分别为0.02,0.05,0.1(注：原文是1)和1mu;m的Si层。具有这些结构的电池可以达到21.3％的转化效率。目前的结果表明，新型超薄CIGS太阳能电池结构的性能参数与传统的结构相比具有更低的成本。
关键词
太阳能电池；薄膜CIGS；硅；超薄
导读
用于薄膜太阳能电池的材料目前是多项研究的主题，以达到最高比率的 效率/成本。基于黄铜矿材料的太阳能电池的特征在于其厚的吸收层不超过2mu;m，但足以吸收太阳光谱的有用部分。与基于硅的电池相比，这降低了太阳能电池的成本并保持了可接受的性能，其需要厚度为200mu;m 的吸收层。与体硅器件相比，多晶黄铜矿Cu(In，Ga)Se 2(CIGS)是一种非常有前途的薄膜光伏材料与体硅器件相比，它具有许多令人觉得有意思的优点[1]。由于其适当的禁带宽度和高太阳辐射吸收系数[2]，CIGS薄膜太阳能电池的转换效率最高达到了20.4％[3]。在CIS / CIGS模型中，吸收体充当p型掺杂区[4]，然而在四元系 Cu(In，Ga)Se 2(CIGS)允许半导体的禁带宽度在1.04–1.67 eV范围内调整，通过添加镓化物到CIS模型中。黄等人称最佳的CIGS禁带宽度约为1.16 eV[5]。使用CIGS材料的不便之处在于铟和镓的成分的高成本。这影响了CIGS薄膜太阳能电池的使用。为了克服这种不足，人们已经考虑减少CIGS吸收层的厚度，从而减少铟和镓的使用。基于数值模拟和使用1mu;m的CIGS吸收层厚度，Amin等人已达到17.26％的效率[6]。在实验方面，Vermang等人在在Aring;ngstrouml;m瑞典太阳能中心采用了Si太阳能电池技术使用厚度为0.385mu;m的CIGS吸收层将超薄Cu(In，Ga)Se 2太阳能电池的效率提高到13.5％[7]。该效率仍然小于传统CIGS太阳能电池的效率，其中吸收层厚度在2.5-4mu;m的范围内。
在目前的工作中，CIGS薄膜太阳能电池的替代结构被提出了。一维 SCAPS-1D 模拟软件被用于分析的新提出的ZnO / CdS / CIGS / Si薄膜太阳能电池数值的性能。我们展示了如何通过添加新的Si吸收层来影响器件性能。我们还研究了工作温度对传统和新型超薄CIGS结构太阳能电池的影响。
设备结构和模拟
近年来，对数值模拟的兴趣对于基于结晶，多晶和非晶材料的太阳能电池的理解和设计具有重要意义[8],[9],[10],[11]。然而，主要困难在于影响薄膜太阳能电池性能的大量参数。SCAPS是一维太阳能电池模拟程序，由比利时根特大学电子与信息系统系(ELIS)开发。一些研究人员为其发展做出了贡献：Alex Niemegeers，Marc Burgelman，Koen Decock，Johan Verschraegen和Stefaan Degrave。程序的描述及其使用的算法可以在文献 [12],[13],[14],[15],[16],[17]中找到。SCAPS最初是为CuInSe 2 和CdTe族的单元结构开发的。尽管如此，一些扩展已经改进了它的能力，因此它也适用于晶体太阳能电池(Si和GaAs家族)和非晶细胞(a-Si和非晶Si)[12]。在该模型中，吸收体(CIGS)是p型[4]，禁带范围为1.00至1.70 eV；在p型Cu(In，Ga)Se 2 和n型CdS之间形成结，其禁带为2.45 eV；窗口层由ZnO形成，禁带等于3.30 eV[18]。
在新结构中，我们添加了一个新的p-Si层，其禁带为1.12eV。已经使用SCAPS计算机软件程序[12]检查了在光伏电池参数上添加新吸收层的效果。已经使用各种厚度的CIGS吸收层，范围从1.10到2.0mu;m，以研究新的超薄CIGS结构太阳能电池的性能。这些太阳能电池由Si和p型CIGS 组成，作为吸收层，厚度为1mu;m，沉积在涂有钼的背玻璃基板上，n型缓冲层由厚度为0.05mu;m的CdS制成，窗口层由厚度为0.02mu;m的n-ZnO制成。新电池结构的示意图如图1(b)所示。
图1.(a)CIGS 太阳能电池的示意图
(b)新的超薄CIGS结构的示意图
频带对准是影响跨异质结的电流传输和太阳能电池性能的最重要参数之一。事实上，太阳能电池结构的能带图可以通过SCAPS-1D软件程序获得。在这方面，使用SCAPS-1D代码计算了新的超薄CIGS结构太阳能电池的能带图。我们的结果显示在图2中。可以观察到Si和CIGS吸收层之间存在良好的带对准。应注意，在每层以及Cu(In，Ga)Se 2 (CIGS)和Si之间的界面中都考虑了缺陷。每层中的缺陷密度为10 14 cm-3 。CdS通常用作缓冲剂。模拟中使用的各层的半导体参数如表1 所示。
图2.新型超薄CIGS结构太阳能电池的能带图
|
参数 |
n-ZnO |
n-CdS |
p-CIGS |
p-Si |
|
禁带宽度，E g(eV) |
3.0 |
2.45 |
1.10 |
1.12 |
|
电子亲和力，X e(eV) |
4.60 |
4.40 |
4.50 |
4.05 |
|
介电常数εr |
9 |
10 |
13.60 |
11.90 |
|
导带状态密度，N C(cm -3) |
2.2 times; 1018 |
2.2 times; 1018 |
2.2 times; 1018 |
2.8 times; 1019 |
|
价带态的密度，N V(cm -3) |
1.8 times; 1019 |
1.8 times; 1019 |
1.8 times; 1019 |
2.65 times; 1019 |
|
电子迁移率mu;n(cm2/Vs) |
100 |
100 |
100 |
1450 |
|
空穴迁移率mu;p(cm2/Vs) |
25 |
252 |
25 |
500 |
|
电子和空穴浓度n，p(cm -3) |
1 times; 1020 |
1 times; 1020 |
2 times; 106 |
1 times; 1020 |
|
缺陷密度 (cm -3) |
1 times; 1014 |
1 times; 1014 |
1 times; 1014 |
1 times; 1014 |
表1.模拟中使用的物理参数
结果和讨论
SCAPS程序已被用于模拟超薄黄铜矿Cu(In，Ga)Se(CIGS)太阳能电池的表现，通过减少吸收层Cu(In，Ga)Se的厚度并添加新的p-Si层在器件性能上显示效果。在这两种结构中，我们研究了CIGS层厚度对光伏电池参数的影响。该结构已在太阳光谱AM1.5 下进行了研究，入射太阳能为P = 1000 W / m 2 ，温度为300 K.考虑到nul系列和无限大的分流电阻，对光伏参数进行了模拟。
CIGS吸收层厚度优化
就CIGS 吸收层而言，具有CdS 缓冲层的常规超薄CIGS结构已被确认。图3显示了Cu(In，Ga)Se吸收层的厚度对电池性能的影响。在当前，使用SCAPS(一维太阳能电池模拟程序)，CIGS吸收层的厚度从1.1到2mu;m变化。当CIGS吸收层厚度增加时，吸收大量光子。这导致效率从厚度为1.1mu;m的14.71％增加到厚度为2mu;m的16.39％，填充因子(FF)为81.38％，开路电压(V OC )为0.6135 V且短路电流密度(J SC)为32.83mA / cm 2 。注意到，Voc和Jsc的值会增加。还应理解，当吸收层的厚度减小时，Voc和Jsc值都将减小。这可能是由太阳能电池背面接触处的复合过程引起的。如果吸收层厚度减小，则背接触将非常接近耗尽区[23]。
图3.(a)J SC和V OC的变化
(b)作为CIGS厚度函数的效率和FF的变化
新型超薄CIGS结构太阳能电池的CIGS吸收层厚度优化
通过添加1mu;m的p型新层Si，效率从传统超薄CIGS结构的16.39％增加到新结构的21.3％。主要原因可以追溯到p型层厚度的增加。根据图4 ，当吸收层较厚时，电池效率增加。在该模拟中，CIGS吸收层的厚度在0.1至1mu;m之间变化，而其他输入参数保持不变。我们的研究结果表明，对于1mu;m的厚度，已经实现了21.3％的效率。这主要是因为当吸收层较厚时，大部分光子可被吸收，因此产生更多的电子 - 空穴对。这让J SC从21.26增加到34.47mA / cm 2，让VOC从0.7668V减少到0.7436V，从而提高了效率。表2总结了具有和不具有Si层的太阳能电池的性能。考虑到CIGS太阳能电池中铟和镓材料的高成本[24],[25]，制造具有非常大的吸收器厚度的CIGS太阳能电池是不可取的。因此，通过减小CIGS太阳能电池的厚度，我们减少了铟和镓材料的使用，从而降低了成本。因此，大规模生产需要在电池效率和成本之间进行折衷。因此，使用比铟和镓材料更便宜的新型超薄太阳能电池CIGS，可以实现成本和效率之间的折衷。这对于工业的发展和太阳能电池的制造有很大帮助。量子效率是对数的比电荷载体通过的通过外部电路向入射的载波的数目。对于给定波长，如果每个光子产生一对电子空穴，则外部量子效率等于1。并且还分析了CIGS层的厚度对新结构中的电池的量子效率的影响。图5显示具有不同CIGS 层厚度的太阳能电池结构(ZnO / CdS / CIGS / Si)的量子效率(QE)。注意，CIGS / Si太阳能电池的QE随着吸收层厚度的增加而增加。实际上，当吸收层厚度
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资料编号：[3543]
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