一種優(yōu)化CIGS薄膜電池的建模方法

楊正茂

（上海電力大學(xué) 上海市 201306）

在日常生活中的各個(gè)方面都要使用能源，所以能源消耗非常的大，導(dǎo)致全球面臨能源短缺的問題，像煤石油天然氣，這些二次能源都在不斷地減少，專家們根據(jù)數(shù)據(jù)的分析，得到這些能源大約還能持續(xù)50年就將消耗殆盡[1]。時(shí)代不斷地進(jìn)步和科學(xué)不斷地發(fā)展，導(dǎo)致能源的使用率越來越大，所以我們要盡可能地把自然能源轉(zhuǎn)化為實(shí)際中可以使用的能源，不能因?yàn)槟茉吹亩倘倍绊懥丝萍嫉陌l(fā)展。太陽能電池可以直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，也因此成為當(dāng)今世界熱議話題之一。

本文主要介紹了CIGS 電池的優(yōu)化，通過Silvaco TCAD 軟件對(duì)CIGS 電池進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的改良，并且進(jìn)一步對(duì)電池進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的CIGS 效率得到了很大提升。

1 CIGS簡(jiǎn)介

1.1 CIGS發(fā)展歷史

Cu(In1-xGax)Se2(CIGS)太陽能電池，最初為CIS 化合物薄膜太陽能電池，最早發(fā)生自70年代Bell 實(shí)驗(yàn)室Shaly 等人研究出了三元黃銅礦半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)機(jī)理[2]等便研制出了單晶CIS 制備，受當(dāng)時(shí)科科學(xué)技術(shù)的影響，成本一直高居不下，所以在當(dāng)時(shí)也是受到了限制。緊接著CIGS 憑借其獨(dú)特的光電特性優(yōu)勢(shì)以及高的轉(zhuǎn)換效率開始慢慢走進(jìn)人們的視線中。1999年，在Ga 代替部分In 便產(chǎn)生了現(xiàn)在的CIGS 薄膜太陽能電池，效率當(dāng)時(shí)已經(jīng)達(dá)到了18.8%。2016年，Jackson 等在他們的CIGS 實(shí)驗(yàn)室中將CIGS 電池的效率提高到了22.6%。

1.2 CIGS結(jié)構(gòu)以及優(yōu)點(diǎn)

CIGS 薄膜電池將CIGS 作為電池的襯底吸收層，是電池最核心的部分，電池的結(jié)構(gòu)一般為：Mo/CIGS/CdS/ZnO/ZAO/MgF2，其中Mo 作為電池的背電極用來傳導(dǎo)空穴，CIGS 作為電池的襯底吸收層，CdS 作為電池緩沖層，再往上是窗口層高阻的本征ZnO 和低阻ZAO，最上層便是抗反射層MgF2。

之所以能夠成為人們熱議的太陽能電池，是因?yàn)橛幸韵轮饕膬?yōu)點(diǎn)：

（1）光學(xué)帶隙可調(diào)，這是CIGS 電池不同于其他太陽電池的一大特色，通過在CIS 薄膜電池中參雜Ga 代替部分In，可以改變導(dǎo)帶未知從而調(diào)節(jié)帶隙，而固定帶隙半導(dǎo)體材料對(duì)太陽光譜吸收不足，CIGS 可以隨著Ga/(Ga+In)比值的變化，CIGS 的帶隙可以從1.04 eV 增加到1.67eV。具有良好的光學(xué)特性。

（2）較高的吸收率。由于材料時(shí)直接帶隙半導(dǎo)體，所以十分適合太陽能電池薄膜化，降低了材料消耗的成本。

（3）較高的抗輻射能力。

（4）制造成本低廉，可以大規(guī)模生產(chǎn)。

（5）較高的電池效率，效率已經(jīng)接近非晶硅。

（6）有較為穩(wěn)定的電池性能。

2 太陽能電池的工作原理

太陽能電池的工作原理是光生伏特效應(yīng)，當(dāng)陽光照射在半導(dǎo)體上，由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，在半導(dǎo)體的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)也就是光生電壓；再將p-n結(jié)短路，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)電流也就是常說的光生電流。由于這種情況所發(fā)生一系列光電效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)[3]。

3 仿真分析

3.1 Silvaco TCAD簡(jiǎn)介

Silvaco 軟件提供的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)環(huán)境，不僅可以大大減少實(shí)驗(yàn)帶來的材料浪費(fèi)，還可以大大減少實(shí)驗(yàn)人員的計(jì)算時(shí)間，通過Silvaco Athena[4]工藝仿真和Silvaco Atlas[5]器件仿真完美的解決了上述問題，是目前全世界半導(dǎo)體市場(chǎng)中的最前沿的技術(shù)和工藝。下面將簡(jiǎn)要的介紹下這兩款軟件的功能和基本使用情況。

Silvaco Atlas 器件仿真中，提供了豐富的數(shù)值計(jì)算功能，介于一系列物理模型以及方程，將數(shù)據(jù)放入到設(shè)計(jì)者做出的網(wǎng)格中進(jìn)行計(jì)算，將比較復(fù)雜的半導(dǎo)體內(nèi)部網(wǎng)格模塊化，計(jì)算出想要得到的半導(dǎo)體器件的相關(guān)特性。對(duì)于不同物理模型，使用不同的物理計(jì)算方法，得到比較精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Silvaco Atlas 器件仿真包含器件電學(xué)，光學(xué)，熱學(xué)等特性，將半導(dǎo)體器件中設(shè)計(jì)功率，密度，擊穿，漏電流等計(jì)算完全的結(jié)合到一起，完美的得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 Silvaco模型構(gòu)建

本文提出一種新型npn薄膜Cu(In1-xGax）Se2太陽能電池結(jié)構(gòu)[6,7]。如圖1所示，該結(jié)構(gòu)使用Silvaco TCAD 中的Athena 工藝仿真得到。

3.3 抗反射層厚度的影響

太陽能電池表面的反射率大小是決定轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)關(guān)鍵因素，所以必須要加抗反射層來增加入射光在太陽能電池表面的穿透率[8]。MgF2在薄Cu(In1-xGax)Se2太陽能電池中是一種常見的抗反射層材料，由于其硬度比較高，耐腐蝕抗潮解，并且有著穩(wěn)定的化學(xué)性能，在透光度方面更是有著很好的紫外線波段的透過率，所以在本小節(jié)中對(duì)不同厚度的MgF2做了比較，由于厚度的不同，光透過率有不同的效果，通過仿真可以看出反射率在100nm 厚度處的峰值達(dá)到最高，并且反射率的峰值在隨著MgF2厚度的增加向著較長(zhǎng)波側(cè)移動(dòng)逐漸遞減，如圖2所示，由此可得該電池的MgF2最佳厚度在100nm。通過反射率反映出在短波段上的吸收，MgF2有著很好的抗反射性能。接著對(duì)其光學(xué)特性做了比較，發(fā)現(xiàn)在100nm 厚度的MgF2下的EQE 要高于其他厚度，如圖3所示，并且圖4中可看出此情況下電池有最大電流密度，在AM1.5G 下，當(dāng)MgF2厚度在100nm 時(shí)，電池效率以及電池電流密度達(dá)到最高。支持本小節(jié)研究的結(jié)果。

3.4 缺口深度的影響

與傳統(tǒng)的薄Cu(In1-xGax）Se2太陽能電池相比較，新型npn 電池載流子的收集可以通過左右兩個(gè)電極橫向收集，缺口深度與載流子的收集面積成正比，所以缺口深度對(duì)載流子的收集有重要的影響。如圖5所示，當(dāng)缺口加深意味著載流子收集的面積增大，可以增大電池的電流，但對(duì)于電流密度來說還需要考慮載流子表面復(fù)合，隨著缺口的增加載流子復(fù)合也隨之增加，從而降低了電流密度。所以一個(gè)合適的缺口深度對(duì)電池 的效率有著重要的意義。如表1所示當(dāng)深度在140nm 時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電池的最高效率。

表1：不同缺口深度下的CIGS 電池特性

表2：背表面優(yōu)化后的電池特性

3.5 CIS背面場(chǎng)（BSF）層的影響

在本小節(jié)中，對(duì)新型的太陽能電池進(jìn)行了優(yōu)化，即對(duì)太陽能電池的背面加了CIS 層如圖6所示[9]。在背表面加CIS 可以減小電池中的背表面帶來的復(fù)合，這樣就會(huì)使得太陽能電池的各項(xiàng)性能得到一些提升，增加太陽能電池的效率。增加CIS 層的目的可以和原結(jié)構(gòu)性能做一個(gè)很好的參數(shù)比較，可以具體的了解對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的程度如圖7在不同缺口深度下電池的效率對(duì)比。表2中顯示了兩種結(jié)構(gòu)具體的參數(shù)比較，由表可以看出經(jīng)過優(yōu)化過的太陽能電池?fù)碛懈叩亩搪冯娏骱烷_路電壓，和我們與預(yù)想的是一樣的，結(jié)果表明，在經(jīng)過p+層之后的太陽能電池效率提高了約0.5%。

4 結(jié)論

本次論文中主要提出了一種新型薄Cu(In1-xGax)Se2太陽能電池結(jié)構(gòu)。通過SilvacoTCAD 軟件對(duì)器件做了仿真，并對(duì)太陽能電池做了優(yōu)化處理，首先對(duì)不同厚度的抗反射層做了最優(yōu)測(cè)試，選擇出了抗反射層為100nm 情況下實(shí)現(xiàn)了高效率太陽能電池性能，并再次證明了MgF2作為此類器件的良好抗反射材料的適用性。其次分析了缺口深度的影響，此時(shí)的太陽能電池效率已經(jīng)提高到了27.8%，為了使我們的太陽能電池更加完善，論文最后做了背表面的處理，經(jīng)過處理后的太陽能電池效率由原來的27.8%提升到了28.3%。太陽能電池是當(dāng)今世界十分火熱的話題直以，本文提出的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)太陽能電池的未來發(fā)展有重要的意義。

圖1：Athena 仿真中的新型npn 太陽能電池結(jié)構(gòu)

圖2：不同抗反射層厚度下的電池反射率

圖3：不同抗反射層厚度下的電池EQE

圖4：不同抗反射層厚度下的電流密度和效率

圖5：不同缺口下的JV 特性圖

圖6：有無背表面處理結(jié)構(gòu)示意圖

圖7：有無背表面處理不同缺口下的電池效率