无镉缓冲层ZnS/CIGS薄膜太阳能电池模拟研究开题报告
- 本课题的目的及研究意义
自工业革命以来，社会高速发展，人们对能源的需求也越来越大。能源成为人类生存不可或缺的基础物质。然而，目前我们主要的能源来源依然是依靠化石能源，其中主要包括煤、石油和天然气，并在未来的一段时间内依然是我们的能源结构中占有主要的位置，在地球漫长的演化过程中由于地壳变动而形成的这些化石能源，是不可再生的。根据《2017-2022年中国煤炭行业“十三五”规划发展与投资前景预测报告》，我们可以知道2017年煤炭在我国的一次性消费结构中的比重达到66070。在2020年、2030年、2050年逐渐回落到62%、55%和50%。面对大比重的消耗，传统能源消耗殆尽，资源枯竭问题己经提上人类发展的议程。除此之外，由于化石能源在燃烧过程中会释放出大量的二氧化碳和有害气体、颗粒，在加重使得全球变暖的温室效应的同时，也对我们的健康形成危害。环境问题和能源问题己经是摆在我们人类面前不可回避的严峻问题。
由于太阳内部在不断的进行着核聚变，同时向其周围的外部空间辐射，同时也导致了太阳表面的温度奇高，达到了6000℃的高温。据估计，地球上所有的化石燃料加在一起转换成能量也只是相当于太阳向外辐射三天的能量而己。根据太阳单位时间的辐射功率以及太阳上氢的总含量来计算，太阳内部的核聚变反应大概可以维持10“年[[1l。相对人类的有限生存时间而言，太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源，是未来人类的理想能源之一，是真正的绿色能源。本文主要探讨的太阳能的利用方式是一种叫光生伏特的方式，即直接将太阳能转化为我们需要的电能。
铜锢嫁硒(ClGS)是一种直接带隙结构半导体材料，禁带宽度约为1.04e V。通过改变Ga的掺杂浓度可以使CIGS的禁带宽度在1.04^-1.67e V之间连续变化，从而与太阳光谱更匹配。传统的CIGS太阳电池的缓冲层为硫化福(CdS)，其禁带宽度为2.4e V，因为Cd元素有剧毒，对环境会造成污染。所以在保证CIGS太阳电池的各项性能指标的前提条件下，寻找可以替代CdS的缓冲层材料，减少有毒物质的使用，保护自然环境是本课题的研究重点。
ZnS是属于n型II -VI族直接带隙化合物半导体材料，室温下禁带宽度约为3.77eV。由于无毒无污染，禁带宽度宽，原料廉价易得，制备成本低等优点成为CIGS太阳电池理想的缓冲层材料。
- 本课题的研究内容
本文利用wxAMPS太阳电池仿真软件对Zn0/ZnS(n)/CLGS(p)和Zn0/ZnS(n)/CIGS(i)/CIGS(p)两种都以ZnS作为缓冲层的CIGS太阳能电池建立了仿真模型，并对两种结构的太阳电池进细致的模拟仿真。包括:两种电池结构中各层的不同厚度、掺杂浓度、温度、Ga含量和缺陷态等因素做了仿真。讨论了两种结构中各个因素对电池性能的影响，找出合适的参数，比较两种结构的优缺点。同时，尝试性的解释出现某种现象的原因。具体的工作有一下几个方面:
（1）利用wxAMPS太阳能仿真软件PN结构以ZnS为缓冲层的太阳电池进行建模。通过理论计算和查找参考文献得到我们在仿真中需要的参数。
(2)通过仿真，探讨各层的厚度、掺杂浓度，不同的缺陷态密度和缺陷能级，以及不同的Ga掺杂浓度对太阳电池的影响。由是得到合适各个层级合适的厚度、掺杂浓度，缺陷态对电池的影响边界以及CIGS合适的禁带宽度。并尝试性的从微观角度给予一部分现象以解释。同时从宏观角度探究温度对电池各个性能参数的影响。
(3)通过在原有的PN结构中间添加一个本征层(PIN结构)，在不同的本征层厚度下重复上面的两步。同时分析两种电池在不同的结构中各个层的参数最优值有哪些变化，哪些是由结构的变化引起的，并给出合理的解释。
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