鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1828次 | 2019年03月27日
n-ZnO：Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS太陽能電池
1引百薄膜太陽能電池作為第二代太陽能電池技術(shù)，因具有低成本的優(yōu)勢(shì)而成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。Cu（In，Ga）Se2（CIGS）薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率己達(dá)到20.3%，是目前轉(zhuǎn)換效率最高的薄膜太陽能電池但是CIGS薄膜中的In，Ga，Se元素屬于稀貴元素，難以有效降低太陽能電池的成本。四元化合物Cu2ZnSnS4（CZTS）被認(rèn)為是一種有望替代CIGS的太陽能電池吸收層材料。CZTS是用廉價(jià)且無毒的Zn，Sn，S元素分別替代Cu（In，Ga）Se2的In，Ga，Se元素，具有與黃銅礦結(jié)構(gòu)的CIGS相似這兩種材料的導(dǎo)電率、透光率和少子壽命能滿足作為窗口層的要求。在ZnO窗口層和CZTS吸收層之間引入CdS作為緩沖層，以減小窗口層和吸收層之間的帶隙臺(tái)階和晶格失配，這是CZTS薄膜太陽能電池的一個(gè)最為合理的結(jié)構(gòu)。
另一方面，對(duì)太陽能電池進(jìn)行理論計(jì)算是分析太陽能電池光伏特性、優(yōu)化太陽能電池結(jié)構(gòu)的途徑之一。目前，尚未見到關(guān)于n-ZnO：Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS薄膜太陽能電池理論計(jì)算的報(bào)道。本示意圖行分析，在分析光吸收和光生載流子分離收集過程的基礎(chǔ)上，對(duì)電池的結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期得到太陽能電池的最佳光伏特性。
2器件模型太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，光從n-ZnO：Al窗口層一側(cè)入射。根據(jù)該器件模型，通過對(duì)泊松方程、電子/空穴連續(xù)性方程和電子/空穴電流密度方程的聯(lián)立求解，得到器件的熱平衡特性和在光照條件下的直流特性，包括能帶圖、光生載流子產(chǎn)生復(fù)合率、電流密度分布、載流子濃度、電流-電壓（/-F）和光譜響應(yīng)等器件特性，從而得到影響太陽能電池光伏特性的因素。
本文利用德國(guó)亥姆霍茲柏林材料與能源中心開發(fā)的AFORS-HET（AutomatFORSimulationofHETerostructures）程序，并設(shè)置CZTS的摻雜濃度、厚度、缺陷態(tài)密度和CdS的摻雜濃度、厚度為變量。ZnO的參數(shù)設(shè)置選用AFORS-HET程序提供的ZnO數(shù)值。光學(xué)模型選用Lambert-Beer模型。模擬光照條件為AM1.5，功率密度100mW/cm2，有效波長(zhǎng)范圍300―1200nm.CZTS的光吸收系數(shù)取自。為簡(jiǎn)化計(jì)算，邊界條件取金屬-半導(dǎo)體平帶接觸，前后電極接觸為歐姆接觸。
入射光表1CZTS太陽能電池計(jì)算所用參數(shù)取值參數(shù)厚度/nm變量介電常數(shù)電子親和能/eV禁帶寬度/eV導(dǎo)帶有效態(tài)密度/cm-3價(jià)帶有效態(tài)密度/cm3電子遷移率/cm2-1空穴遷移率/cmV-i.s-1施主摻雜濃度/cm-3變量受主摻雜濃度/cm-3變量3結(jié)果與討論3.1光吸收和光生載流子輸運(yùn)分析的分布少（A，x）為指數(shù)吸收模型，即少（A，0）為太陽能電池表面處的光通量，即入射光通量，a（A）為吸收系數(shù)。Lambert-Beer模型不考慮太陽能電池內(nèi)部界面處的光反射，入射光的反射只發(fā)生在太陽能電池前接觸表面處，在太陽能電池內(nèi)部，入射光的傳播方向不發(fā)生改變。由（1）式，在太陽能電池內(nèi)部光生載流子的產(chǎn)生率Ger）為取n-CdS和p-CZTS的厚度分別為50nm和2nm為例進(jìn)行計(jì)算，為n-ZnO：Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS太陽能電池的光生載流子的產(chǎn)生率分布計(jì)算結(jié)果，圖中用虛線表示各半導(dǎo)體層的界面。n-ZnO：Al窗口層的最大Ge值為太陽能電池表面處的1.63x和p-CZTS層各自的最大Ge值小兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這是由于ZnO的禁帶寬度達(dá)到3.4eV，屬于寬禁帶材料，無法有效吸收能量小于3.4eV（波長(zhǎng)大于365nm）的入射光子，所以在計(jì)算的有效波長(zhǎng)范圍內(nèi)（300―1200nm），ZnO層的光吸收相比于n-CdS層和p-CZTS層是可以忽略的，這表明ZnO層具有良好的窗口作用。n-CdS層的Ge值介于1021cm-3/s和323x1021cm-3/s之間，說明n-CdS緩沖層能有效吸收光子并產(chǎn)生光生載流子。太陽能電池的光生載流子產(chǎn)生率最大1021cm3/s出現(xiàn)在n-CdS/p-CZTS界面處的p-CZTS―側(cè)。在p-CZTS層內(nèi)部，Ge值向背電極方向指數(shù)式下降。在z=2.3pm處（對(duì)應(yīng)的p-CZTS厚度為2pm），Ge值下降到1.05x1019cm3/s，為最大值的0.118%，說明p-CZTS層2的厚度足以吸收大部分入射光，厚度再繼續(xù)增加時(shí)對(duì)入射光吸收的增加很小。比較光生載流子產(chǎn)生率在各層中的分布可發(fā)現(xiàn)，P-CZTS層是太陽能電池的主要光吸收層，這與CIGS層在CIGS太陽能電池中的作用是相同的。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
光生載流子的收集過程可通過的n-ZnO：Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS結(jié)構(gòu)的熱平衡能帶圖進(jìn)行分析。在中，設(shè)電池前表面處的真空能級(jí)為能量五的零點(diǎn)，分別計(jì)算導(dǎo)帶底艮、費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶頂民在太陽能電池中的分布。取n-CdS層的厚度和摻雜濃度分別為50nm和1x1017cm-3、p-CZTS層的厚度和摻雜濃度分別為2嘩和1x1016cm-3為例進(jìn)行分析根據(jù)，光生電子和光生空穴主要在n-CdS層和p-CZTS層中產(chǎn)生，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子漂移至前表面處，光生空穴漂移至后表面處，從而在電池兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于光生電子的輸運(yùn)，需考慮異質(zhì)結(jié)各界面處導(dǎo)帶補(bǔ)償?shù)挠绊?。根?jù)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)理論，由于n-CdS和p-CZTS的電子親和能相同，在n-CdS/p-CZTS界面處沒有導(dǎo)帶不連續(xù)現(xiàn)象，不會(huì)對(duì)光生電子的輸運(yùn)產(chǎn)生影響。i-ZnO/n-CdS界面處的導(dǎo)帶補(bǔ)償形成電子勢(shì)壘，由于導(dǎo)帶補(bǔ)償值僅為0.1eV（ZnO和CdS的電子親和能之差），不會(huì)對(duì)光生電子的輸運(yùn)產(chǎn)生顯著的阻礙作用。對(duì)于光生空穴，i-ZnO/n-CdS界面和n-CdS/p-CZTS界面處的價(jià)帶補(bǔ)償沒有形成尖峰形狀，不會(huì)對(duì)n-CdS層和p-CZTS層的光生空穴向背電極方向輸運(yùn)產(chǎn)生阻礙，同時(shí)能夠減少光生空穴向前電極方向的反擴(kuò)散，對(duì)于提高光生空穴的分離收集效率是有益的，可以減小太陽能電池的反向飽和電流。
子產(chǎn)生率分布圖CZTS層參數(shù)對(duì)太陽能電池特性的影響太陽能電池基本光伏特性的分析，可以對(duì)該太陽能電池的各層材料的特性參數(shù)對(duì)太陽能電池光伏特性的影響進(jìn)行分析，通過計(jì)算而得到n-ZnO：Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS太陽能電池優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和最佳輸出光伏特性。本節(jié)計(jì)算分析CZTS吸收層的摻雜濃度、厚度、缺陷態(tài)密度對(duì)太陽能電池光伏特性的影響。
太陽能電池轉(zhuǎn)換效率7與CZTS層的摻雜濃度7VA和厚度山關(guān)系的計(jì)算結(jié)果。在計(jì)算過程中，CZTS層的摻雜濃度和厚度作為變量，摻雜濃度的取值范圍為為0.5―3pm，其他參數(shù)保持不變。取n-CdS層的厚度和摻雜濃度分別為50nm和1x1017cm-3為例進(jìn)行計(jì)算。為簡(jiǎn)化運(yùn)算，先不考慮CZTS層的缺陷態(tài)的作用。由（a）可以看出，當(dāng)CZTS層的摻雜濃度保持不變時(shí)，對(duì)應(yīng)于4個(gè)摻雜濃度值，太陽能電池轉(zhuǎn)換效率均隨CZTS層厚度的增加而單調(diào)增加。對(duì)于轉(zhuǎn)換效率與CZTS層摻雜濃度的關(guān)系，由（b）可以看出，當(dāng)厚度大于0.75時(shí)，轉(zhuǎn)換效率隨摻雜濃度的增加而單調(diào)增加；當(dāng)厚度小于0.75時(shí)，轉(zhuǎn)換效率與摻雜濃度之間不存在單調(diào)的變化關(guān)系，對(duì)于厚度為0.25nm和0.5pm兩個(gè)取值，轉(zhuǎn)換效率的最大值均出現(xiàn)在摻雜濃度1x1016cm-3處。
在CZTS層的摻雜濃度和厚度的計(jì)算范圍內(nèi)，當(dāng)摻雜濃度為1x1018cm-3、厚度為3pm時(shí)，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值。
n-ZnO：Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率隨（a）CZTS層的厚度山和（b）摻雜濃度7VA的變化關(guān)系CZTS層厚度與太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的變化關(guān)系可做如下解釋：當(dāng)CZTS層厚度增加時(shí)，太陽能電池能夠吸收更多的入射光，因此能提高太陽能電池的短路電流和轉(zhuǎn)換效率；另一方面，當(dāng)CZTS層厚度增加到超過光生載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度時(shí)，光生載流子無法被有效收集，此時(shí)短路電流和轉(zhuǎn)換效率開始下降。在（a）中，轉(zhuǎn)換效率是隨厚度單調(diào)增大的，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率峰值，說明CZTS層的光生載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度超過3m.另外，當(dāng)CZTS厚度超過2gm后，轉(zhuǎn)換效率隨厚度的增大趨勢(shì)變緩，趨向于飽和。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
根據(jù)3.1節(jié)的分析可知，CZTS層厚度為2叫時(shí)已能夠吸收大部分入射光，厚度再繼續(xù)增加時(shí)，能夠增加的對(duì)入射光的吸收已很小，因此在未達(dá)到光生載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率趨向飽和的現(xiàn)象。對(duì)于CZTS太陽能電池的應(yīng)用，為減少制造成本，取2的CZTS層的厚度是足夠的。
CZTS層的摻雜濃度會(huì)影響太陽能電池的內(nèi)建電勢(shì)和載流子復(fù)合。一方面，CZTS層受主摻雜濃度的增大使CZTS層的費(fèi)米能級(jí)更接近價(jià)帶頂，從而增大CZTS的電子親和能和太陽能電池的內(nèi)建電場(chǎng)強(qiáng)度和總內(nèi)建電勢(shì)值，可以提高對(duì)光生載流子的收集效率，提高開路電壓和轉(zhuǎn)換效率。另一方面，電子和空穴從導(dǎo)帶到價(jià)帶的直接復(fù)合和載流子俄歇復(fù)合概率隨摻雜濃度和載流子濃度的增大而增大，使光生載流子的濃度、光生電流密度和轉(zhuǎn)換效率下降。CZTS層摻雜濃度兩方面作用對(duì)太陽能電池特性的影響是相反的。從（b）可以看出，當(dāng)CZTS層厚度大于0.75pm時(shí)，CZTS層摻雜濃度對(duì)內(nèi)建電勢(shì)的作用起主導(dǎo)作用；當(dāng)CZTS層厚度小于0.75nm時(shí)，CZTS層摻雜濃度對(duì)內(nèi)建電勢(shì)和載流子復(fù)合兩方面的綜合作用使轉(zhuǎn)換效率的變化出現(xiàn)峰值。
再進(jìn)一步考慮CZTS缺陷態(tài)對(duì)太陽能電池特性的影響。在實(shí)際的CZTS太陽能電池中，CZTS層中存在的結(jié)構(gòu)缺陷態(tài)將在CZTS的禁帶中間引入缺陷態(tài)能級(jí)，缺陷態(tài)作為光生載流子的SRH復(fù)合中心，將增大光生載流子的復(fù)合概率，導(dǎo)致反向飽和電流密度的增大和開路電壓、短路電流密度、轉(zhuǎn)換效率的下降。為定量分析CZTS層缺陷態(tài)對(duì)太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的影響，對(duì)上述最高轉(zhuǎn)換效率的CZTS太陽能電池結(jié)構(gòu)（CZTS的摻雜濃度1x引入缺陷態(tài)，缺陷態(tài)為受主型，缺陷態(tài)能級(jí)位置為五v+0.3eV，以缺陷態(tài)濃度凡作為變量，iVt取值范圍為1x5為CZTS太陽能電池的光伏特性隨CZTS層缺陷態(tài)濃度iVt的變化關(guān)系計(jì)算結(jié)果。從可以看出，當(dāng)缺陷態(tài)濃度小于1x1014cm-3時(shí)，開路電壓Rc、短路電流密度sc和轉(zhuǎn)換效率r基本保持不變，CZTS層缺陷態(tài)的復(fù)合尚未起顯著作用。當(dāng)缺陷態(tài)濃度超過1x1014cm-3后，太陽能電池的開路電壓、短路電流密度和轉(zhuǎn)換效率值隨著缺陷態(tài)濃度的增加而顯著下降。當(dāng)缺陷態(tài)濃度達(dá)到1x10Mcm-3時(shí)，轉(zhuǎn)換效率僅為3.8%.的計(jì)算結(jié)果表明，CZTS層的缺陷態(tài)對(duì)n-ZnO：Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS太陽能電池的光伏特性有重要的影響，為改善太陽能電池的特性，需要通過改進(jìn)工藝條件使CZTS的缺陷態(tài)濃度減小到1x1014cm3以下。
CdS層參數(shù)對(duì)太陽能電池特性的影響為n-CdS薄膜的摻雜濃度iVD和厚度辦對(duì)太陽能電池轉(zhuǎn)換效率影響的計(jì)算結(jié)果，在計(jì)算過程中，n-CdS層的摻雜濃度iV取值范圍取值范圍為50―250nm，CZTS的摻雜濃度1x1018cnr3、厚度3pm.從可以看出，轉(zhuǎn)換效率r隨CdS層的厚度d2和摻雜濃度iVD的增加而單調(diào)下降，但下降的幅度較小。在中，轉(zhuǎn)換效率r的最小值26.66%僅比最大值27.02%低1.33%.與3.2節(jié)的分析類似，CdS層的厚度取值會(huì)影響對(duì)入射光的吸收和光生載流子的收集，CdS層的摻雜濃度取值會(huì)影響內(nèi)建電場(chǎng)和光生載流子的復(fù)合。但是由于CdS是作為中間緩存層，而不是主要的光吸收層，因此相比于CZTS層，CdS的厚度和摻雜濃度的變化對(duì)太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的影響較小。
壓K>c、短路電流密度sc和轉(zhuǎn)換效率7隨CZTS層的缺陷態(tài)濃度ivt的變化關(guān)系率隨CdS層的厚度摻雜濃度Ab的變化關(guān)系n-ZnO：Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS太陽能電池的優(yōu)化光伏特性根據(jù)3.2節(jié)和3.3節(jié)的計(jì)算結(jié)果，在參數(shù)取值范太陽能電池的優(yōu)化結(jié)構(gòu)為：CZTS層的摻雜濃度1x1018cnr3、厚度3CdS層的摻雜濃度1x1017cm-3、厚度50nm，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。在不考慮缺陷態(tài)復(fù)合作用的條件下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的太陽能電池輸出電流-電壓（-V特性曲線如所示。優(yōu)化的太陽能電池的光伏特性為開路電壓1.127V，短路電流密度27.39mA/cm2，填充因子87.5%、轉(zhuǎn)換效率27.02%.短路電流密度值接近于在AM1.5光照條件下具有1.5eV帶隙的單結(jié)電池所能達(dá)到的最大短路電流密度。轉(zhuǎn)換效率值接近于由細(xì)致平衡理論得到的1.5eV帶隙的單結(jié)電池的極限效率值這些結(jié)果驗(yàn)證了本文計(jì)算的有效性，同時(shí)最高27.02%的轉(zhuǎn)換效率表明CZTS材料作為高效率電池的吸收層材料的可行性。
8為優(yōu)化結(jié)構(gòu)的n-ZnO：Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS太陽能電池的光譜響應(yīng)計(jì)算結(jié)果。在波長(zhǎng)200―750nm范圍內(nèi)，太陽能電池的量子效率QE值大于0.9，說明在該波段范圍內(nèi)，太陽能電池能夠有效地吸收入射光并將光生電子和光生空穴分離收集到電池兩側(cè)。在波長(zhǎng)850nm附近，太陽能電池的外量子效率下降到接近于0，該波長(zhǎng)與CZTS的禁帶寬度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是一致的。
能電池的溫度特性優(yōu)于單晶硅太陽能電池，這是由CZTS具有比單晶硅更大的禁帶寬度的特性決定的。
的輸出-V特性曲線的光譜響應(yīng)的開路電壓V、短路電流密度sc、填充因子FF和轉(zhuǎn)換效率的溫度特性9為優(yōu)化結(jié)構(gòu)的n-ZnO：Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS太陽能電池的溫度特性計(jì)算結(jié)果，工作溫度：T的范圍為300~50K.在中，開路電壓Kc隨工作溫度的增大而線性減小，這是由于載流子的復(fù)合隨溫度的增大而增大。短路電流密度sc隨工作溫度的增大而增大，但是增大幅度很小，450K時(shí)的短路電流密度值僅比300K時(shí)增大0.22%，溫度對(duì)短路電流的影響可以忽略。開路電壓的減小使得轉(zhuǎn)換效率也隨工作溫度的增大而減小。在300~450K的溫度范圍內(nèi)，CZTS太陽能電池的開路電壓溫度系數(shù)和轉(zhuǎn)換效率溫度系數(shù)分別為-1.34mV/K和-0.14%/K，這兩個(gè)溫度系數(shù)的絕對(duì)值小于單晶硅太陽能電池，表明CZTS太陽4結(jié)論電池的光伏特性的計(jì)算結(jié)果表明，CZTS薄膜的高光吸收系數(shù)特性使CZTS薄膜的光生載流子產(chǎn)生率遠(yuǎn)大于n-CdS緩沖層和ZnO窗口層，光生電子和光生空穴在內(nèi)建電場(chǎng)作用下分別漂移至n-ZnO：Al層和p-CZTS層。CZTS太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率隨CZTS層的摻雜濃度和厚度的變化為非單調(diào)關(guān)系，這是因?yàn)镃ZTS薄膜的摻雜濃度會(huì)影響內(nèi)建電勢(shì)和載流子復(fù)合，CZTS薄膜的厚度會(huì)影響光吸收和載流子漂移。CZTS薄膜的結(jié)構(gòu)缺陷態(tài)作為光生載流子復(fù)合中心，在缺陷態(tài)濃度大于1x1014cm3時(shí)，會(huì)顯著降低太陽能電池的光伏特性。作為非主要光吸收層，CdS緩存層的摻雜濃度和厚度的變化對(duì)太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的影響較小。在計(jì)算范圍內(nèi)，當(dāng)CZTS薄膜的摻雜濃度為1x1018cm3、厚度為3pm，不考慮缺陷態(tài)和CdS薄膜的摻雜濃度為1x1017cm3、厚度為50nm時(shí)，n-ZnO：Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS太陽能電池達(dá)到最佳光伏特性，為開路電壓1.127V、短路電流密度27.39mA/cm2、填充因子87.5%、轉(zhuǎn)換效率27.02%，吸收長(zhǎng)波限850nm，開路電壓溫度系數(shù)-1.34mV/K，轉(zhuǎn)換效率溫度系數(shù)-0.14%/K.計(jì)算結(jié)果揭示了CZTS薄膜可作為高效且廉價(jià)的太陽能電池材料，可望作為CIGS薄膜太陽能電池的替代材料。
