太阳能是一种重要的可再生清洁能源,取之不尽,用之不竭,没有环境污染,有诱人的应用前景。CIGS薄膜材料是一种理想的太阳能光电材料,预计到2018年CIGS太阳能电池将占据光伏产业40%以上的份额。然而,影响CIGS薄膜太阳能电池规模化应用的主要因素是其材料含剧毒元素Cd及稀散元素In、Ga和Se。减少有毒和稀散元素的使用并找寻替代品,改善CIGS材料的光伏性能,正是本论文研究的重点所在。本文主要采用第一性原理计算、原子模拟和器件模拟等手段,对CIGS薄膜太阳能电池的吸光层和缓冲层材料进行了系统地理论计算研究,主要结果如下：1)采用第一性原理计算的方法研究了S掺杂对CuInSe2光电性质的影响。计算结果表明,CuIn(Se1-xSx)2的晶格参数随S浓度x呈现线性变化：a(x)=-0.2828x+5.8786A, c(x)=-0.5692x+11.834A. CuIn(Se1-xSx)2的复介电函数、折射指数、消光系数和吸收系数随S的加入变化不大。当光子能量在4-6eV之间时,随着S浓度的降低,介电函数的虚部红移。当x从0增加到1时,CuIn(Se1-xSx)2的静介电常数从7减小到5,光学带隙从1.07eV增加到1.384eV。2)采用器件模拟方法研究了缺陷态对理想CIGS薄膜太阳能电池器件宏观性能的影响。重点研究了缺陷态在带隙中出现的位置以及密度连续变化时,电池的开路电压、短路电流、填充因子和光电转换效率等四项性能指标的变化情况。结果发现：缺陷态总是不利于CIGS太阳能电池的综合性能,它减小开路电压,降低短路电流。但是,当CIGS中缺陷态密度小于1014cm-3时或CdS中小于1018cm-3时,缺陷态的不利影响则很小。当缺陷态位于带隙中央时,危害更大。此外,还研究了温度效应、吸收层和缓冲层材料的厚度效应,发现工作温度在170K时CIGS太阳能电池具有最佳的综合性能,而2μmm厚的CIGS吸光层就足以使电池表现出优异的性能。3)从光电性质的角度系统探究以Zn取代缓冲层CdS中剧毒元素Cd的可能性与可行性,采用第一性原理计算方法,研究了闪锌矿Cd1-xZnxS化合物的晶体结构和光电性质。计算了x=0、0.25、0.50、0.75、1.0下的晶体结构、光学性质(反射率、吸收系数、折射指数、介电函数)和电学性质(能带结构、电子态密度等)。随着掺杂浓度x的增加,晶格常数从最先的5.91A减小到后来的5.409A；随着掺杂浓度x的增加,Cd1-xZnxS化合物-直为直接宽禁带半导体,并且带隙宽度在逐渐增大,即从1.15eV增加到2.22eV。4)采用原子模拟技术(基于晶格动力学方法和玻恩核-壳经典势参数模型),系统研究了闪锌矿结构Cd1-xZnxS (x=0,0.25,0.5,0.75)在不同温度和压力下的晶格结构、力学和热学性质。计算了不同Zn掺杂浓度时的弹性模量、声子态密度、热容、热膨胀系数、格林艾森常数和德拜温度。结果表明：Cd1-xZnxS的晶格常数随掺杂浓度x的递增单调递减。随温度升高,无论是定容热容还是热膨胀系数都逐渐增大并趋于饱和；在某一温度时,二者都随Zn掺杂浓度的增加而略有增加。随掺杂浓度x从0增大到1,0K温度时,Cd1-xZnxS的格林艾森常数从0.78增加到0.94,而德拜温度最小值从约197K增大到约203K。一些实验或模拟结果与我们的数据相符。期望系统的原子模拟研究结果将有助于理解该材料的成分-性能相关性,同时也有助于设计CuInSe2太阳能薄膜电池具有合适热匹配的窗口层材料。同时,我们还简要计算了Ga掺杂CuInSe2的热学性质。5)研究了纤锌矿ZnO1-xSx化合物的晶体结构和光电性质。计算了ZnO1-xSx在掺杂浓度分别为x=0、0.25、0.50、0.75、1.0下的晶体结构、光学性质(反射率、吸收系数、折射指数、介电函数)和电学性质(能带结构、电子态密度等)；获得掺杂浓度对ZnO1-xSx晶体结构、光学性质和电学性质的影响规律。ZnO中一定浓度的硫掺杂,导致带隙宽度变窄,而晶格常数随掺杂基本呈线性变化。就目前制备铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池普遍使用CdS缓冲层而言,ZnO1-xSx具有与CdS类似的电子结构,但光学特性上高频特性有明显改善。