【摘 要】
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随着全球日益严重的环境污染和传统化石能源的短缺,太阳能光伏发电具有清洁、安全、可持续性等特点而受到越来越多的重视,特别是开发结构简单、高效、低成本的太阳能电池是未来重要的发展方向。其中,硫化亚锡（Sn S）是一种直接带隙半导体材料,在可见光范围内光吸收系数很大,构成元素S和Sn在自然界储量丰富、价格低廉、无毒无害,其理论光电转换效率高达25%。因此,Sn S薄膜太阳能电池是一种很有发展潜力的光伏器
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随着全球日益严重的环境污染和传统化石能源的短缺,太阳能光伏发电具有清洁、安全、可持续性等特点而受到越来越多的重视,特别是开发结构简单、高效、低成本的太阳能电池是未来重要的发展方向。其中,硫化亚锡（Sn S）是一种直接带隙半导体材料,在可见光范围内光吸收系数很大,构成元素S和Sn在自然界储量丰富、价格低廉、无毒无害,其理论光电转换效率高达25%。因此,Sn S薄膜太阳能电池是一种很有发展潜力的光伏器件。由于实际制备太阳能电池的复杂性以及相关结构和材料参数的不确定性,利用仿真软件进行数值模拟是一种有效的分析方法。本文主要利用wx AMPS太阳能电池数值模拟软件来研究Sn S基薄膜太阳能电池,并根据其物理特性设计了Mo S2/Sn S、a-Si:H/Sn S、CTZSSe/Sn S三种不同结构的太阳能电池,系统地分析了材料厚度、掺杂浓度、缺陷态对器件性能的影响,获得了最佳电池结构和材料参数。其主要研究结果如下:（1）设计了Mo S2/Sn S结构太阳能电池,分析了Sn S厚度、掺杂浓度、高斯缺陷态和带尾缺陷态对太阳能电池性能的影响。模拟发现:在一定范围内提高吸收层Sn S的厚度或者掺杂浓度可以提高太阳能电池性能,但吸收层厚度过厚或者掺杂浓度过高将会降低太阳能电池性能。Sn S材料中的高斯缺陷态密度大于1×1015cm-3时,器件性能明显下降;而对于带尾缺陷态,当其大于1×1019cm-3e V-1时,将显著恶化太阳能电池性能。在最佳条件下,Mo S2/Sn S太阳能电池的开路电压为0.88 V,短路电流为33.4 m A/cm~2,填充因子为85.4%,转换效率为24.87%。（2）构建了a-Si:H/Sn S结构太阳能电池,并研究了各种因素对太阳能电池性能的影响。研究发现:a-Si:H厚度越薄,太阳能电池性能越佳,而增加Sn S厚度,能提高器件整体性能。提高a-Si:H掺杂浓度,器件性能随之提高,但超过1×1015cm-3后,器件性能不再提升;对于Sn S,掺杂浓度大于1×1015cm-3时,短路电流迅速下降。当a-Si:H高斯缺陷态密度大于1×1018cm-3或Sn S高斯缺陷态密度大于1×1013cm-3时,器件整体性能迅速下降。对于带尾缺陷态,a-Si:H中的缺陷态密度大于1×1022cm-3e V-1或Sn S中的缺陷态密度大于1×1019cm-3e V-1时,将会降低器件性能。最佳条件下,太阳能电池的开路电压为0.86 V,短路电流为32.77 m A/cm~2,填充因子为85.91%,转换效率为24.01%。（3）构筑了一种CZTSSe/Sn S结构太阳能电池,并对影响器件性能的因素展开了研究分析。结果显示:增加CZTSSe厚度能够提高整体性能,但CZTSSe厚度达到0.1μm后,器件性能不再随之变化;增加Sn S厚度达到2μm后,器件性能不再提高。提高CZTSSe掺杂浓度,可以提高太阳能电池性能,但浓度超过1×1017cm-3后,器件性能不再随浓度变化;增加Sn S掺杂浓度,其他性能参数随之提高,但短路电流却出现下降趋势。对于高斯缺陷态,当CZTSSe中缺陷态密度高于1×1017cm-3或Sn S中缺陷态密度高于1×1014cm-3时,太阳能电池性能开始下降;而对于带尾缺陷态,在CZTSSe缺陷态密度大于1×1019cm-3e V-1时或Sn S缺陷态密度高于1×1019cm-3e V-1时,器件性能才会下降。经过优化,最佳条件下CZTSSe/Sn S太阳能电池的开路电压为0.83 V,短路电流为33.52 m A/cm~2,填充因子为85.6%,转换效率为23.92%。通过对Sn S基薄膜太阳能电池的模拟计算,获得了结构参数、材料参数等各种因素对器件性能的影响规律,同时揭示了其性能变化的内在物理机制,为Sn S基薄膜太阳能电池的实际制备提供了理论指导和参考依据。
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