太阳电池薄膜材料CFD数值模拟及优化策略研究

主要研究对象为GaInP太阳电池薄膜材料,生长参数采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应室内气体热流场CFD的数值模拟结果,通过动力学蒙特卡洛(KMC)法对薄膜的生长过程进行计算模拟,得到了数据的分布形式及通信的优化策略并同时降低通信开销,在已知沉积条件的情况下对以大量粒子为基础的薄膜的生长情况进行了仿真分析,这有效地解决了计算机单机能力不足的情况,同时大大降低了仿真的时间。经过分析可知,模拟所得结果与试验结果一致,这为优化在MOCVD技术下GaInP薄膜生长的工艺参数提供了一定的理论依据。

磁控溅射法制备的硫化镉缓冲层的铜锌锡硫薄膜太阳电池性能

利用磁控溅射法制备硫化镉薄膜,研究硫化镉薄膜作为缓冲层的铜锌锡硫薄膜太阳电池性能.进一步地,采用双功率溅射的方法,减轻溅射过程对吸收层的损伤,增加了铜锌锡硫薄膜太阳电池的开路电压和填充因子,提高了光电转换效率,最终获得了光电转换效率为7.0%的铜锌锡硫薄膜太阳电池.

锑掺杂对柔性Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4)薄膜应力及其太阳电池性能的影响

Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4)(CZTSSe)薄膜中的应力是影响其柔性太阳电池弯曲稳定性的重要因素。采用电子束蒸发法在Cu_(2)ZnSnS_(4)(CZTS)金属预制层中蒸发不同厚度(20、40、60、80 nm)的Sb薄膜,并结合后硒化的方法对CZTSSe薄膜进行Sb掺杂。研究发现Sb掺杂可以有效改善CZTSSe薄膜的结晶质量,提高太阳电池的光电转换效率(PCE)和弯曲稳定性。当Sb掺杂层的厚度为40 nm时,可以在最大程度上提升CZTSSe薄膜的结晶质量,相比未掺杂Sb的情况,其残余应力从-3.93 GPa降低至-2.19 GPa,其太阳电池的PCE由2.04%提升至4.41%;在弯曲角度60°、弯曲100次后,柔性CZTSSe薄膜太阳电池的PCE仍能保持原有效率的89.8%以上,表现出优异的弯曲稳定性。

弱光下锑基太阳电池的光谱响应与性能优化

锑基薄膜太阳电池因其制备方法简单,原材料丰富,光电性能稳定等优点而得到了快速发展。其中锑基吸光层材料(硫化锑、硫硒化锑、硒化锑)具有高吸收系数特点,因而在室内或者水下等弱光条件下具有相当大的应用潜力。通过构造两种衰减光谱以研究新型锑基薄膜太阳电池在弱光下的光电响应。首先通过厚度调节硒化锑太阳电池的吸光能力,发现当吸光层厚度较薄时,电池的光电转换效率存在较大差值;而当吸光层厚度过厚时,电池性能又因载流子复合的增大而降低。在吸光层厚度处于合适的0.4~1.2μm之间时,硒化锑太阳电池在长波衰减光谱和短波衰减光谱下都能获得高于16%的转换效率。然后通过硒含量调节锑基太阳电池的光谱吸收范围,发现长波衰减光谱下,锑基太阳电池的器件性能显著高于标准光谱,并且在20%~40%硒含量下能够获得最佳的转换效率。而在短波衰减光谱下,锑基太阳电池的最佳性能出现在硒含量为60%的情况下。因而在弱光条件下,锑基太阳电池的最佳硒含量需要通过具体的光谱特性确定。最后研究了两种衰减光谱下,硫化锑/硒化锑双结叠层太阳电池的光谱响应特性。发现在短波衰减光谱下,叠层太阳电池效率会随着总厚度的增加而增加。而在长波衰减光谱下,叠层太阳电池的最佳性能能够一直保持在较高水平。当叠层电池总厚度为2μm,且硫化锑顶电池厚度在0.5~1.2μm之间时,器件在两种衰减光谱下都能够实现光谱能量在两个子电池中的合理分配,使得叠层电池效率能够保持在20%以上。通过该研究对锑基太阳电池器件结构的合理设计,能够保证单结和双结器件在不同弱光条件下的高性能输出,为高环境适应性的锑基薄膜太阳电池的研发提供技术支持。

不同环境下硫化镉/铜基薄膜异质结退火对太阳电池性能调控

高效铜基薄膜太阳电池通常采用无机n型半导体材料CdS作为缓冲层,因此,缓冲层与吸收层之间的界面质量和能带匹配对载流子的收集利用至关重要.在优化CdS基础工艺的基础上,在含硫气氛下对硫化镉/铜基薄膜异质结进行退火的策略进一步提高CdS薄膜质量,并将其应用到铜基太阳电池,调控铜基薄膜电池p-n异质结能带匹配.研究表明,CdS薄膜在含硫的惰性气氛中退火可以有效提高CdS薄膜的结晶质量并抑制CZTS/CdS异质结界面的非辐射复合,器件的开路电压得到大幅提升,最高可达718 mV.在器件效率方面,基于溅射法的CZTS太阳电池效率从3.47%提升到5.68%,约为不退火处理的2倍.该研究为铜基薄膜太阳电池器件实现高开路电压提供了可靠的工艺窗口.同时,有力地说明了退火气氛选择对于CdS质量以及CZTS/CdS异质结能带匹配的重要性,除了界面互扩散以外,对薄膜材料组分及其结晶性等均实现了调控.

新型硒化锑薄膜太阳电池背接触优化

硒化锑(Sb_(2)Se_(3))具有低毒、原材料丰富和光电性能优异等优点,被认为是最具有发展潜力的薄膜太阳电池光吸收层材料之一.但目前Sb_(2)Se_(3)薄膜太阳电池光电转换效率与碲化镉、铜铟镓硒和钙钛矿等太阳电池相比仍存在较大差距.限制Sb_(2)Se_(3)薄膜太阳电池光电转换效率进一步提升的关键因素之一是,太阳电池结构中Mo背电极和Sb_(2)Se_(3)薄膜构建的背接触界面处容易形成较高的势垒,降低载流子的抽取效率.本工作则对Mo背电极进行热处理生成缓冲层MoO_(2)薄膜,发现缓冲层MoO_(2)的引入,可有效地促进Sb_(2)Se_(3)薄膜的择优取向生长,同时实现太阳电池Mo/MoO_(2)/Sb_(2)Se_(3)背接触势垒降低,相应的填充因子、开路电压和短路电流密度均获得显著提高,构建的太阳电池光电转换效率从5.04%提升至7.05%.

以GeSe为光吸收层的薄膜太阳电池模拟优化研究

针对GeSe薄膜作为吸收层的薄膜太阳电池,利用Scaps-1D太阳电池模拟软件研究电池的吸收层参数对光电性能的影响,以最大光电转化效率(PCE)为优化目标,确定吸收层厚度、缺陷态密度、掺杂浓度以及电子亲和势等参数,获得0.77 V的开路电压,38.55 mA/cm^(2)的短路电流,85.21%的填充因子以及25.3%的光电转化效率。

铜锑硫薄膜太阳电池的数值模拟研究

用SCAPS构建了铜锑硫薄膜太阳电池模型,计算了器件的性能。分别研究了吸收层厚度、载流子浓度、缺陷密度和背电极功函数对器件性能的影响。结果表明,过薄的吸收层对绿光和红光吸收不充分,1.5~3μm厚的吸收层能满足光谱吸收要求。当受主浓度为2×10^(18)cm^(-3)时,器件光电转换效率最高。缺陷密度大于10^(-14)cm^(-3)时,器件的光电转换效率急剧降低。贫铜富硫气氛制备铜锑硫可以提高受主浓度,减小开路电压亏损,也可以抑制硫空位缺陷形成,从而提高器件的光电转换效率。功函数较高的材料能降低背电极势垒,减少载流子在背电极复合。材料参数优化后,器件的光电转换效率最高为21.74%。

基于Bezier曲线的薄膜太阳电池参数逆最小二乘辨识

针对光伏参数求解繁琐、准确度不高、需要实验测试的弊端,提出一种利用两条二阶Bezier曲线和逆最小二乘法相结合的薄膜太阳电池参数辨识方法。首先,构造过最大功率点且平行于开路电压点和短路电流点连线的平行线,并在该平行线上寻找两条二阶Bezier函数的最佳控制点,进而给出控制位置与薄膜太阳电池填充因子的线性规律,实现对I-V曲线简单、准确地刻画;然后,利用等效变换简化薄膜太阳电池输出特性超越方程,引入5个新的变量将超越方程改造为代数方程,随机选取Bezier曲线上的5个点,通过代数计算和欧几里得范数的(伪)解给出5个变量的值,并基于所得的变量结果,利用逆最小二乘法反向求解出超越方程的5个参数。最后,以5种不同型号薄膜太阳电池为例,对不同条件下的参数和求解时间进行对比和分析,验证该方法具备快速性、准确性和适用性。

基于氯化铯背接触处理优化硒化锑薄膜太阳电池性能

本文使用气相输运沉积的方式制备了硒化锑(Sb_(2)Se_(3))薄膜太阳电池,并采用氯化铯(CsCl)溶液对器件上界面进行处理,同时对薄膜和器件进行了一系列表征。研究发现,CsCl溶液的背接触处理不仅可以提高器件的载流子收集以及降低上界面复合,还可以优化薄膜的结晶性、表面粗糙度和光电性能。基于FTO/CdS/Sb_(2)Se_(3)/CsCl/Au的器件结构,得到了转换效率为6.32%的高效Sb_(2)Se_(3)薄膜太阳电池,比基础器件效率提升了12%。本文的工作对Sb_(2)Se_(3)薄膜太阳电池未来的研究有一定的指导作用,其他同类型半导体光伏器件也可借鉴。

Cr应力缓释层对柔性Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4)薄膜太阳电池性能的影响

柔性Cu_(2)ZnSn(S,Se)_(4)(CZTSSe)薄膜太阳电池中的应力是阻碍其发展的一大瓶颈。采用磁控溅射法在柔性Ti衬底和Mo背电极之间引入不同厚度的Cr缓释层,研究其对CZTSSe薄膜应力的影响。结果表明,当Cr应力缓释层厚度为80 nm时,薄膜的结晶质量最好,电池具有最佳的光电性能,相比没有Cr应力缓释层存在的情况,薄膜的残余应力从-7.15 GPa降低至-3.61 GPa,电池的光电转换效率(PCE)从2.89%提高至4.65%,增加了60.9%。Cr应力缓释层的引入不会影响CZTSSe薄膜的晶体结构,相反可有效提高薄膜的结晶质量,降低薄膜的残余应力,最终提高电池的光电性能。

CdTe薄膜太阳电池及组件的产业化进展与应用方向分析

对CdTe薄膜太阳电池的理论研究和产业化的进展与展望进行重点阐述,概括了此类太阳电池未来的研究重点,并对CdTe薄膜光伏组件在“双碳”目标下的应用情况进行分析探讨。结果显示:(1)经过几十年的发展,截至2022年5月,CdTe薄膜太阳电池实验室最高光电转换效率仍为2016年得到的22.1%,与其理论最大光电转换效率(32%)相比还有很大的突破空间;(2)未来CdTe薄膜太阳电池性能提升的关键将是进行有效p型掺杂、提高CdTe薄膜载流子寿命、通过制备欧姆接触电极提高开路电压,从而改善CdTe薄膜太阳电池的性能。以期该研究可为中国加快CdTe薄膜太阳电池及组件产业化发展提供参考方向。

界面层对CIGS薄膜太阳电池电性能影响的数值模拟研究

通过在铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池中分别插入RbInSe_(2)薄膜和MoSe_(2)薄膜作为界面层,设计出新的电池结构,然后使用模拟软件wxAMPS研究了界面层对CIGS薄膜太阳电池电性能的影响。研究结果表明:RbInSe_(2)薄膜对CIGS薄膜太阳电池电性能的提高效果不明显,且随着RbInSe_(2)薄膜厚度的增加,电池电性能呈先升高后降低的趋势。MoSe_(2)薄膜对CIGS薄膜太阳电池的电性能有显著的提高作用,主要原因是该薄膜与CIGS薄膜构成的异质结在电池内部附加了一个电场。该电场能够将向MoSe_(2)薄膜运动的电子“反射”回CIGS薄膜中,降低载流子的界面复合速度,进而提高光生电流。以分析获得的最优参数进行数值模拟,同时插入MoSe_(2)薄膜和RbInSe_(2)薄膜的CIGS薄膜太阳电池的最高光电转换效率可达25.0%,这为实验室及实际生产制备出高效CIGS薄膜太阳电池提供了一条可能的技术路径。

薄膜太阳电池的最新进展

介绍了薄膜太阳电池在光伏技术中的地位,概述了包括多晶硅、非晶硅、CdTe、CuIn1-xGaxSe2(CIGS)在内的薄膜太阳电池的发展状况。多晶硅,非晶硅太阳电池的生产技术成熟,商业化程度高,是目前太阳电池开发与应用的重点,随着技术和工艺水平的提高,CdTe和CIGS等新型太阳电池商业化必将带来能源领域的新变革。文章同时还给出了这些太阳电池的未来研究方向。

薄膜太阳电池的研究现状与发展趋势

笔者主要对目前薄膜电池研究和产业化的主流技术进行论述,包括硅基薄膜太阳电池、碲化镉与铜铟镓硒等化合物薄膜太阳电池、以及染料敏化电池等,对每种技术分别从国内外研究现状以及产业化状况进行介绍。

薄膜太阳电池技术发展趋势浅析

低成本、高效率的薄膜太阳电池是未来光伏产业发展的重要方向之一。主要介绍了目前备受关注的薄膜太阳电池,包括硅基薄膜太阳电池、铜铟镓硒与铜锌锡硫薄膜太阳电池,及砷化镓薄膜太阳电池等,简述了它们的各自特点、研究现状、主要技术路线和产业化发展等情况。最后展望了薄膜太阳电池未来的发展趋势。

薄膜太阳电池用TCO薄膜制造技术及其特性研究

阐述了玻璃衬底、柔性衬底透明导电氧化物薄膜(Transparent conductive oxides-TCO)以及硅基薄膜太阳电池应用方面的最新研究成果。绒面结构可以提高薄膜太阳电池效率和稳定性并降低生产成本。磁控溅射技术和LP-MOCVD技术是制造绒面结构ZnO-TCO薄膜(例如"弹坑"状和"类金字塔"状表面)的主流生长技术;高迁移率TCO薄膜(IMO、IWO、ZnO∶Ga等)以及柔性衬底TCO薄膜是研究开发的重点。

颗粒硅带多晶硅薄膜太阳电池的研制

以工业硅粉为原料制备出颗粒硅带 (SSP) ,对颗粒硅带表面形态进行分析。以SSP为衬底 ,采用快速热化学气相沉积 (RTCVD)法生长多晶硅薄膜 ,并以此制作出效率为 2 93%的颗粒硅带多晶硅薄膜太阳电池 ,这在国内属首先。并报道了对以SSP为衬底的多晶硅薄膜太阳电池的初步研究结果 ,同时讨论了该类电源的结构。

表面等离子体激元增强薄膜太阳电池研究进展

表面等离子体激元共振是金属纳米结构非常独特的光学特性,对基于表面等离子体激元共振的纳米结构体系的研究已形成了一门新兴的学科,即表面等离子体光子学。可以利用金属纳米颗粒光散射、近场增强以及高度局域的表面等离子体极化激元增强薄膜太阳电池光吸收,提高电池转换效率。当前,表面等离子体光子学应用于太阳电池的设计已成为国际上光伏研究迅猛发展的一个热点。文章主要介绍表面等离子体激元增强薄膜太阳电池光吸收的原理及其在光伏器件中应用的最新研究进展。

CIGS薄膜太阳电池异质结的结构初析

本论文通过实验制备得到CuIn0.7Ga0.3Se2(CIGs)、CdS、ZnO三种半导体材料,然后根据这三种半导体的相关材料参数和实验数据,得出了它们形成异质结前后的能带图,并计算它们的能带边失调值△EC、△EV。其中,CdS／CIGS的导带边失调值ΔEc对高效率CIGS薄膜太阳电池的影响作用最大,为-0.298eV(高效电池的理想值范围为0-0.4eV),说明这对电池整体性能不是很好。