ZnO异质结太阳能电池模拟研究

摘要

太阳能作为一种清洁、无污染的能源，被有效地开发和利用是解决当今能源危机的重要方式之一。然而，现今太阳能电池的发展存在转换效率低、生产成本高等各种各样的问题。因此，开发新型太阳电池材料迫在眉睫。
　　ZnO、CuZn2SeS4（简称CZTS）、CuIn1-xGaxSe2(简称CIGS)都是直接带隙半导体材料。其中，掺Al的ZnO薄膜具有低的电阻率和高的光透射率、无毒、价廉且稳定性高等优点使其是很好的透明导电电极和窗口材料。CZTS的吸收系数很高、元素无毒且丰富，适合作吸收层。CIGS太阳能电池高效率、高稳定性、而且抗辐射能力强；氧化镍是一种具有典型3d电子结构的P型氧化物半导体材料，禁带宽度为3.0～4.0 eV。总之，CZTS、CIGS、NiO均是良好的p型半导体材料。
　　基于对上面四种材料的的分析，本文提出三种新型异质结太阳能电池模型：n-ZnO/i-ZnO/p-CZTS、n-ZnO/i-ZnO/p-CIGS、n-ZnO/i-ZnO/p-NiO。并运用AMPS-1D软件对异质结太阳能电池进行模拟，对i层厚度、n层掺杂浓度、p层掺杂浓度对电池填充因子、转换效率、开路电压以及短路电流的影响进行了模拟和分析。模拟结果表明，i层厚度的增加对提高太阳能电池的性能均有所帮助；增加n层掺杂浓度均有利于提高三种太阳能电池的转换效率；p层掺杂浓度的提高使CZTS和NiO太阳能电池的转换效率均有所提高，但对CIGS影响不大且高浓度的p层掺杂使其下降。在理想情况下模拟得到的CZTS、CIGS和NiO电池的最高转换效率分别为26.877％、24.681%、7.243%。
　　太阳能作为一种清洁、无污染的能源，被有效地开发和利用是解决当今能源危机的重要方式之一。然而，现今太阳能电池的发展存在转换效率低、生产成本高等各种各样的问题。因此，开发新型太阳电池材料迫在眉睫。
　　ZnO、CuZn2SeS4（简称CZTS）、CuIn1-xGaxSe2(简称CIGS)都是直接带隙半导体材料。其中，掺Al的ZnO薄膜具有低的电阻率和高的光透射率、无毒、价廉且稳定性高等优点使其是很好的透明导电电极和窗口材料。CZTS的吸收系数很高、元素无毒且丰富，适合作吸收层。CIGS太阳能电池高效率、高稳定性、而且抗辐射能力强；氧化镍是一种具有典型3d电子结构的P型氧化物半导体材料，禁带宽度为3.0～4.0 eV。总之，CZTS、CIGS、NiO均是良好的p型半导体材料。
　　基于对上面四种材料的的分析，本文提出三种新型异质结太阳能电池模型：n-ZnO/i-ZnO/p-CZTS、n-ZnO/i-ZnO/p-CIGS、n-ZnO/i-ZnO/p-NiO。并运用AMPS-1D软件对异质结太阳能电池进行模拟，对i层厚度、n层掺杂浓度、p层掺杂浓度对电池填充因子、转换效率、开路电压以及短路电流的影响进行了模拟和分析。模拟结果表明，i层厚度的增加对提高太阳能电池的性能均有所帮助；增加n层掺杂浓度均有利于提高三种太阳能电池的转换效率；p层掺杂浓度的提高使CZTS和NiO太阳能电池的转换效率均有所提高，但对CIGS影响不大且高浓度的p层掺杂使其下降。在理想情况下模拟得到的CZTS、CIGS和NiO电池的最高转换效率分别为26.877%、24.681%、7.243%。

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1 绪论

1.1 太阳辐射

1.2 太阳能的利用方式及光伏发电的特点

1.3 太阳能电池的现状及前景

1.4 太阳能电池种类

1.5 薄膜太阳能电池特点及结构

2 太阳能电池的基本原理

2.1 半导体pn结与pin结

2.2 半导体异质结及其能带图

2.3 太阳电池的光吸收

2.4 太阳能电池的主要性能参数

2.5 本章小结

3 AMPS-1D软件概论

3.1 AMPS-1D软件简介

3.2 AMPS-1D计算方法

3.3 运行AMPS的步骤

3.4 本章小结

4 异质结电池的物理模型及典型性能

4.1 材料在太阳能电池方面的应用

4.2 材料的结构与性质

4.3 n-ZnO/i-ZnO/p-CIGS电池物理模型与典型结果

4.4 n-ZnO/i-ZnO/p-CZTS电池物理模型与典型结果

4.5 n-ZnO/i-ZnO/p-NiO电池物理模型与典型结果

4.6 本章小结

5 各种条件对n-ZnO/i-ZnO/p-CZTS太阳能电池性能的影响

5.1 i层厚度对太阳能电池性能的影响

5.2 n层掺杂浓度对太阳能电池性能的影响

5.3 p层掺杂浓度对太阳能电池性能的影响

5.4 本章小结

6 各种条件对n-ZnO/i-ZnO/p-CIGS太阳能电池性能的影响

6.1 i层厚度太阳能电池性能的影响

6.2 n层掺杂浓度对太阳能电池性能的影响

6.3 p层掺杂浓度对太阳能电池性能的影响

6.4 本章小结

7 各种条件对n-ZnO/i-ZnO/NiO太阳能电池的影响

7.1 i层厚度对太阳能电池性能的影响

7.2 n层掺杂浓度对太阳能电池性能的影响

7.3 p层掺杂浓度对太阳能电池性能的影响

7.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

致谢