一種提高CIGS效率的方法

摘" 要：文章使用SILVACO-TCAD軟件工具研究了一種可以提高Cu（In1-xGax）Se2（CIGS）薄膜太陽能電池效率的方法。在本次仿真模型中，將傳統(tǒng)的Cu（In1-xGax）Se2（CIGS）薄膜太陽能電池結構改變成新型npn太陽能電池結構，大大提高了電池的效率，同時對電池的鎵濃度做了討論，得到了該結構最優(yōu)的鎵濃度。通過仿真提高了電池的效率，對CIGS薄膜的太陽能電池有重要意義。

關鍵詞：TCAD;CIGS;優(yōu)化;鎵濃度

中圖分類號：TN386" " " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2021）13-0132-03

Abstract： In this paper， a method to improve the efficiency of Cu（In1-xGax）Se2（CIGS） thin film solar cells is studied by using silvaco-tcad software. In this simulation model， the traditional Cu（In1-xGax）Se2（CIGS） thin film solar cell structure is changed into a new type of NPN solar cell structure， which greatly improves the efficiency of the cell. At the same time， the gallium concentration of the cell is discussed， and the optimal gallium concentration of the structure is obtained. Through the simulation， the efficiency of the solar cell is improved， which is of great significance to the solar cell with CIGS thin film.

Keywords： TCAD; CIGS; optimization; gallium concentration

環(huán)境污染和能源的短缺已經(jīng)嚴重阻礙了當今社會和經(jīng)濟的發(fā)展，影響人們的正常生活，因此，人們迫切需要尋求一種可以直接取代煤炭、石油、天然氣等主要的化石能源[1]。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，它的出現(xiàn)完美地解決了目前能源短缺和環(huán)境污染的問題。而太陽能電池則是可以利用光生伏特效應將光能直接轉換成電能的裝置。目前市場上，技術最為成熟的就是晶體硅太陽能電池，幾十年來一直在光伏產(chǎn)業(yè)扮演著重要的角色。除此之外，還有非晶體硅，硫化鎘、碲化鎘類，砷化鎵等Ⅲ-V族化合物，銅銦硒類太陽能電池越來越受到重視。其中，Cu（In1-xGax）Se2（CIGS）薄膜太陽能電池因其取材廉價，較高的轉換率以及突出的穩(wěn)定性在太陽能電池中受到人們的廣泛關注。本文主要介紹了CIGS薄膜電池的主要組成以及其發(fā)電的原理，在此理論基礎上提出了一種新型npn太陽能電池結構并通過SILVACO-TCAD軟件中的Athena[2]工藝仿真將電池構建出來，其次將電池和同種參數(shù)的傳統(tǒng)電池做了比較，直觀地發(fā)現(xiàn)新型太陽能電池結構的優(yōu)勢。為了更好地優(yōu)化文章中提出的新型結構，對電池組分做了討論，即鎵濃度大小對新型太陽能電池的影響做了相關的研究。

1 研究意義

目前全球的環(huán)境污染和能源危機是人們將要面臨的重要問題，已經(jīng)開始威脅到人類的生存，因此人們開始尋找清潔的替代能源。在20世紀時，人類過度使用煤炭、石油、天然氣作為主要消耗能源，直到目前才意識到新能源才是真正需要利用的能源。太陽能作為一種新能源，與之前的那些不可再生能源等常規(guī)能源相比有諸多優(yōu)點：

（1）太陽能的儲備量豐富。首先太陽能是取之不盡、用之不竭的可再生能源。每年照射到地球表面上的太陽輻射能就能替代約一百多萬億噸標煤。根據(jù)科學現(xiàn)有研究，在之前漫長的11億年中，太陽僅消耗了它本身2%的能量，跟傳統(tǒng)的不可再生的能源相比，可以說是屬于無窮無盡的。所以人們可以通過開發(fā)和利用太陽能來替代之前的化石能源。

（2）太陽能的范圍分布廣。每個地方的太陽輻射的能量都不一樣，這是因為每個地方每天的日照量和氣候差異很大。其次，太陽能在何時何地都可以利用，與其他能源相比，在世界各地的很多地方，太陽能都可以直接使用，并且很方便，不存在用不了、不能用的問題，特別是對那些相對不發(fā)達的地區(qū)來說，資源運輸浪費了大量沒必要消耗的能源。而那些能源短缺的國家，如果對太陽能好好利用，一定可以解決很多能源短缺問題。

（3）太陽能十分清潔。太陽能在使用期間不會因為使用而產(chǎn)生對環(huán)境有影響的物質，也不會增加溫室效應，十分清潔，不管是當下還是未來對環(huán)境的保護有重要的意義。

（4）太陽能的利用十分經(jīng)濟。隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)

展，太陽能的利用也有了一大步的跨越，成本制造也得到了改善。現(xiàn)在很多太陽能的利用得到了政府的大力支持，也因此被當作最有前景的能源之一。太陽能系統(tǒng)一旦建造成功，可以有很長的利用周期，既不會污染環(huán)境，又取之不盡，無處不在。在可再生能源中，風能發(fā)展已經(jīng)較為成熟，但輸出卻不穩(wěn)定;水力發(fā)電建設點也已經(jīng)有限。因此，依靠太陽能來實現(xiàn)新能源的利用具有重要意義。

由此可以看出，太陽能將會成為21世紀最具有潛力的能源，并且在世界能源舞臺上發(fā)揮著越來越重要的作用。

2 CIGS電池的結構

Cu（In1-xGax）Se2（CIGS）薄太陽能電池利用Mo作為電池的背電極、傳導空穴，背電極的厚度一般在0.5-1.0μm，以保證電極層與襯底之間具有良好的附著力，同時可以與吸收層形成良好的歐姆接觸。背電極上方是p型CIGS當作電池襯底，厚度為1-3μm;用CdS做電池的緩沖層，作為電池中最重要的部分，有助于p-n的形成并增加兩層之間的晶格匹配，厚度為0.03-0.05μm。再往上是窗口層高阻的本征ZnO和低阻ZAO，本征氧化鋅有助于將表面缺陷的密度最小化，減小電池表面復合，從而防止薄層局部的不均勻性或緩沖區(qū)覆蓋不完全導致的范圍內的漏電流。電池最上層頂部的氟化鎂（MgF2）薄膜用作抗反射層，可增加太陽能電池中產(chǎn)生的電子空穴對的數(shù)量[3]。

Cu（In1-xGax）Se2（CIGS）薄太陽能電池效率已經(jīng)接近非晶硅，為了進一步提高該太陽能電池效率，本文提出npn型太陽能電池結構在薄Cu（In1-xGax）Se2太陽能電池的應用。文中研究的npn太陽能電池的結構相比傳統(tǒng)太陽能電池來說可以通過橫向的CdS來吸收光照產(chǎn)生的垂直電子空穴對。換句話來說，對于相同參數(shù)的薄Cu（In1-xGax）Se2太陽能電池，通過改變電池的結構來實現(xiàn)更多的光生載流子的收集，從而達到提高太陽能電池效率的目的。

新型npn結構太陽能電池工作原理：

本文提出了一種新型薄Cu（In1-xGax）Se2太陽能電池結構[4]。該結構與傳統(tǒng)薄Cu（In1-xGax）Se2太陽能電池比較，發(fā)射極CdS在垂直方向產(chǎn)生電子，并且在水平方向上對光生載流子進行收集。通過對結構參數(shù)的研究，可以得出更高效率的薄Cu（In1-xGax）Se2太陽能電池。如圖1所示。

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，新型電池的結構與傳統(tǒng)太陽能電池相比較多了兩個n-type的CdS側壁。由于側壁的存在使得太陽能電池吸收光生載流子的方式發(fā)生了改變，減少了光生載流子的行程，從而減少了復合，增大了光生電流密度。

3 仿真分析

3.1 Silvaco TCAD仿真

Silvaco軟件提供了TCAD工藝和器件仿真、參數(shù)提取、電路仿真、IC電路設計以及仿真等。在本論文中主要涉及到的有Silvaco Athena工藝仿真軟件，將大量的實驗數(shù)據(jù)以及器件結構輸入到數(shù)據(jù)庫中，包含各種半導體材料：單晶硅、多晶硅、Ⅲ-Ⅴ族化合物、Ⅱ-Ⅵ族化合物、有機材料，將其參數(shù)統(tǒng)計到數(shù)據(jù)庫中，方便設計者直接使用，集所有工藝細節(jié)于一體的工藝仿真。

3.2 傳統(tǒng)太陽能電池和npn新型電池的比較

在本節(jié)中建立了新型npn太陽能電池，該模型通過Silvaco Athena設備模擬器進行設計。npn新型太陽能電池比傳統(tǒng)的太陽能電池參數(shù)完全相同，但是結構上多出了側壁n+，表1中具體顯示了兩種太陽能電池特性的比較，可以發(fā)現(xiàn)npn新型太陽能電池在電流密度要高于傳統(tǒng)太陽能電池，這是因為由于新型太陽能電池側壁n+的存在，使得新型的太陽能電池可以將垂直的太陽光產(chǎn)生的電子橫吸收，減少了光生載流子的復合，加大了太陽能電池對能量的吸收效率，使得npn新型太陽能電池可以有更高的短路電流，綜合比較新型太陽能電池的性能要優(yōu)于我們傳統(tǒng)太陽能電池。圖2顯示了新型npn太陽能電池的JV特性。

3.3 鎵濃度的影響

在本小節(jié)中主要研究了鎵濃度對電池的影響。眾所周知，CIGS薄的帶隙可以用鎵代替銦來調節(jié)，這種器件的發(fā)展?jié)摿υ谟谄鋷兜目烧{制性。在CIS中引入Ga后可以改變導帶位置從而調節(jié)帶隙。隨著Ga/（Ga+In）比值的變化，CIGS的帶隙可以從1.04eV增加到1.67eV，由于固定帶隙的半導體材料對太陽光譜的吸收不足，小于固定帶隙的光子能量不能產(chǎn)生電子空穴對，會導致部分太陽光沒有被材料吸收，影響材料短路電流的提高;而大于固定帶隙的光子能量只能產(chǎn)生一個電子空穴對，多余的能量轉化為熱能破壞器件。因此，通過改變Ga的梯度，在GIGS電池中形成梯度帶隙，可以充分利用太陽光譜。鎵的濃度對新型薄Cu（In1-xGax）Se2太陽能電池有重要的影響，在設計新型薄Cu（In1-xGax）Se2太陽能電池時，可以通過改變鎵的濃度從而進一步改變帶隙來提高效率。圖3顯示出了Ga濃度對JV特性的影響。另外，表2總結了不同的Ga濃度對器件的影響。

4 研究結論

本文中主要提出了一種新型薄Cu（In1-xGax）Se2

太陽能電池結構。在保持和傳統(tǒng)薄Cu（In1-xGax）Se2太陽能電池參數(shù)相同的同時盡可能地提高太陽能電池的效率，圍繞這個話題，通過Silvaco TCAD軟件對相關參數(shù)做了詳細的說明。首先，論文中將傳統(tǒng)太陽能電池和npn新型太陽能電池結構的參數(shù)和性能做了比較，結果顯示npn新型的太陽能結構表現(xiàn)出更好的性能特性，這是因為在npn新型太陽能電池結構側壁n+層的存在使得它能夠吸收更多的光生載流子，產(chǎn)生更好的光學特性。接著對電池的鎵濃度進行了測試，發(fā)現(xiàn)鎵濃度在35%為此次論述的電池中最優(yōu)的濃度。經(jīng)過處理后的太陽能電池效率得到了提升。太陽能電池是目前世界十分火熱的話題之一，一直以來人們通過高科技不斷地研發(fā)低成本高效率的太陽能電池，本論文中提及到的新型結構對薄Cu（In1-xGax）Se2太陽能電池有很大地提升，對未來太陽能電池的發(fā)展具有重大的意義。

參考文獻：

[1]Asim， Nilofar， et al. A review on the role of materials science in solar cells[J]. Renewable amp; Sustainable Energy Reviews，2012，16（8）：5834-5847.

[2]Athena. https：//silvaco.com/products/tcad/process_simulation/athena/athena.html[EB/OL].

[3]Thomas Feurer， Patrick Reinhard， Enrico Avancini， et al. Progress in thin film CIGS photovoltaics Research and development， manufacturing， and applications[J].Progress in Photovoltaics Research and Applications，2016，25（7）：645-667.

[4]Salem M， et al. 2017. Design and simulation of proposed low cost solar cell structures based on heavily doped silicon wafers[C]//2017 IEEE 44th Photovoltaic Specialist Conf.

[5]B N E I B A， Salvatore Patanè b， C Y M A. Numerical investigation of CIGS thin-film solar cells[J]. Solar Energy， 2020，204：440-447.