一种优化CIGS薄膜电池的建模方法

杨正茂

（上海电力大学 上海市 201306）

在日常生活中的各个方面都要使用能源，所以能源消耗非常的大，导致全球面临能源短缺的问题，像煤石油天然气，这些二次能源都在不断地减少，专家们根据数据的分析，得到这些能源大约还能持续50年就将消耗殆尽[1]。时代不断地进步和科学不断地发展，导致能源的使用率越来越大，所以我们要尽可能地把自然能源转化为实际中可以使用的能源，不能因为能源的短缺而影响了科技的发展。太阳能电池可以直接将光能转换成电能的装置，也因此成为当今世界热议话题之一。

本文主要介绍了CIGS 电池的优化，通过Silvaco TCAD 软件对CIGS 电池进行了结构的改良，并且进一步对电池进行了优化，优化后的CIGS 效率得到了很大提升。

1 CIGS简介

1.1 CIGS发展历史

Cu(In1-xGax)Se2(CIGS)太阳能电池，最初为CIS 化合物薄膜太阳能电池，最早发生自70年代Bell 实验室Shaly 等人研究出了三元黄铜矿半导体材料的生长机理[2]等便研制出了单晶CIS 制备，受当时科科学技术的影响，成本一直高居不下，所以在当时也是受到了限制。紧接着CIGS 凭借其独特的光电特性优势以及高的转换效率开始慢慢走进人们的视线中。1999年，在Ga 代替部分In 便产生了现在的CIGS 薄膜太阳能电池，效率当时已经达到了18.8%。2016年，Jackson 等在他们的CIGS 实验室中将CIGS 电池的效率提高到了22.6%。

1.2 CIGS结构以及优点

CIGS 薄膜电池将CIGS 作为电池的衬底吸收层，是电池最核心的部分，电池的结构一般为：Mo/CIGS/CdS/ZnO/ZAO/MgF2，其中Mo 作为电池的背电极用来传导空穴，CIGS 作为电池的衬底吸收层，CdS 作为电池缓冲层，再往上是窗口层高阻的本征ZnO 和低阻ZAO，最上层便是抗反射层MgF2。

之所以能够成为人们热议的太阳能电池，是因为有以下主要的优点：

（1）光学带隙可调，这是CIGS 电池不同于其他太阳电池的一大特色，通过在CIS 薄膜电池中参杂Ga 代替部分In，可以改变导带未知从而调节带隙，而固定带隙半导体材料对太阳光谱吸收不足，CIGS 可以随着Ga/(Ga+In)比值的变化，CIGS 的带隙可以从1.04 eV 增加到1.67eV。具有良好的光学特性。

（2）较高的吸收率。由于材料时直接带隙半导体，所以十分适合太阳能电池薄膜化，降低了材料消耗的成本。

（3）较高的抗辐射能力。

（4）制造成本低廉，可以大规模生产。

（5）较高的电池效率，效率已经接近非晶硅。

（6）有较为稳定的电池性能。

2 太阳能电池的工作原理

太阳能电池的工作原理是光生伏特效应，当阳光照射在半导体上，由于内建电场的作用，在半导体的内部会产生电动势也就是光生电压；再将p-n结短路，此时就会出现电流也就是常说的光生电流。由于这种情况所发生一系列光电效应称为光生伏特效应[3]。

3 仿真分析

3.1 Silvaco TCAD简介

Silvaco 软件提供的半导体设计环境，不仅可以大大减少实验带来的材料浪费，还可以大大减少实验人员的计算时间，通过Silvaco Athena[4]工艺仿真和Silvaco Atlas[5]器件仿真完美的解决了上述问题，是目前全世界半导体市场中的最前沿的技术和工艺。下面将简要的介绍下这两款软件的功能和基本使用情况。

Silvaco Atlas 器件仿真中，提供了丰富的数值计算功能，介于一系列物理模型以及方程，将数据放入到设计者做出的网格中进行计算，将比较复杂的半导体内部网格模块化，计算出想要得到的半导体器件的相关特性。对于不同物理模型，使用不同的物理计算方法，得到比较精准的实验结果。Silvaco Atlas 器件仿真包含器件电学，光学，热学等特性，将半导体器件中设计功率，密度，击穿，漏电流等计算完全的结合到一起，完美的得到相应的实验数据。

3.2 Silvaco模型构建

本文提出一种新型npn薄膜Cu(In1-xGax）Se2太阳能电池结构[6,7]。如图1所示，该结构使用Silvaco TCAD 中的Athena 工艺仿真得到。

3.3 抗反射层厚度的影响

太阳能电池表面的反射率大小是决定转换效率的一个关键因素，所以必须要加抗反射层来增加入射光在太阳能电池表面的穿透率[8]。MgF2在薄Cu(In1-xGax)Se2太阳能电池中是一种常见的抗反射层材料，由于其硬度比较高，耐腐蚀抗潮解，并且有着稳定的化学性能，在透光度方面更是有着很好的紫外线波段的透过率，所以在本小节中对不同厚度的MgF2做了比较，由于厚度的不同，光透过率有不同的效果，通过仿真可以看出反射率在100nm 厚度处的峰值达到最高，并且反射率的峰值在随着MgF2厚度的增加向着较长波侧移动逐渐递减，如图2所示，由此可得该电池的MgF2最佳厚度在100nm。通过反射率反映出在短波段上的吸收，MgF2有着很好的抗反射性能。接着对其光学特性做了比较，发现在100nm 厚度的MgF2下的EQE 要高于其他厚度，如图3所示，并且图4中可看出此情况下电池有最大电流密度，在AM1.5G 下，当MgF2厚度在100nm 时，电池效率以及电池电流密度达到最高。支持本小节研究的结果。

3.4 缺口深度的影响

与传统的薄Cu(In1-xGax）Se2太阳能电池相比较，新型npn 电池载流子的收集可以通过左右两个电极横向收集，缺口深度与载流子的收集面积成正比，所以缺口深度对载流子的收集有重要的影响。如图5所示，当缺口加深意味着载流子收集的面积增大，可以增大电池的电流，但对于电流密度来说还需要考虑载流子表面复合，随着缺口的增加载流子复合也随之增加，从而降低了电流密度。所以一个合适的缺口深度对电池 的效率有着重要的意义。如表1所示当深度在140nm 时可以实现电池的最高效率。

表1：不同缺口深度下的CIGS 电池特性

表2：背表面优化后的电池特性

3.5 CIS背面场（BSF）层的影响

在本小节中，对新型的太阳能电池进行了优化，即对太阳能电池的背面加了CIS 层如图6所示[9]。在背表面加CIS 可以减小电池中的背表面带来的复合，这样就会使得太阳能电池的各项性能得到一些提升，增加太阳能电池的效率。增加CIS 层的目的可以和原结构性能做一个很好的参数比较，可以具体的了解对结构优化的程度如图7在不同缺口深度下电池的效率对比。表2中显示了两种结构具体的参数比较，由表可以看出经过优化过的太阳能电池拥有更高的短路电流和开路电压，和我们与预想的是一样的，结果表明，在经过p+层之后的太阳能电池效率提高了约0.5%。

4 结论

本次论文中主要提出了一种新型薄Cu(In1-xGax)Se2太阳能电池结构。通过SilvacoTCAD 软件对器件做了仿真，并对太阳能电池做了优化处理，首先对不同厚度的抗反射层做了最优测试，选择出了抗反射层为100nm 情况下实现了高效率太阳能电池性能，并再次证明了MgF2作为此类器件的良好抗反射材料的适用性。其次分析了缺口深度的影响，此时的太阳能电池效率已经提高到了27.8%，为了使我们的太阳能电池更加完善，论文最后做了背表面的处理，经过处理后的太阳能电池效率由原来的27.8%提升到了28.3%。太阳能电池是当今世界十分火热的话题直以，本文提出的结构优化对太阳能电池的未来发展有重要的意义。

图1：Athena 仿真中的新型npn 太阳能电池结构

图2：不同抗反射层厚度下的电池反射率

图3：不同抗反射层厚度下的电池EQE

图4：不同抗反射层厚度下的电流密度和效率

图5：不同缺口下的JV 特性图

图6：有无背表面处理结构示意图

图7：有无背表面处理不同缺口下的电池效率