基于SCAPS的薄膜太阳能电池仿真开题报告
2020-02-20 09:02
1. 研究目的与意义（文献综述）
1. 论文选题的目的和意义
进入21世纪，太阳能光伏发电迅速，世界各国，都投入了巨大的人力物力财力，通过规模优势和产业的自动化与智能化，技术得到快速进步，市场普及程度也越来越高。为了充分开发和利用太阳能资源，发展光伏发电产业，达到节约常规能源，保护自然环境，促进经济稳定持续发展的效果，加强薄膜太阳能电池技术的研究具有重要意义。通过理论的方法，建立太阳能电池模型，研究电池材料参数和器件结构与电池性能之间的关系，可以避免重复实验。太阳能电池器件仿真是获取电池特性与材料参数、器件结构之间规律的重要方法。SCAPS，全称a Solar Cell Capacitance Simulator，是一款常用的太阳能电池仿真软件。通过该仿真软件，建立薄膜太阳能模型，能够有效的评估各参数输入及器件结构的合理性。
2. 国内外关于该论题的研究现状
太阳能电池的研究一直是一个热点。目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。中国已经成功超越欧洲、日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。太阳能电池技术经过了从晶硅类（单晶硅和多晶硅）到薄膜类和化合物类（非晶硅、铜铟镓硒、砷化镓、碲化镉）的发展，到现在为有机太阳能电池技术的新概念电池（色素增感太阳能电池）。而其中薄膜太阳能电池由于其制造成本低，对环境的影响小，近年来备受关注，各类薄膜太阳能电池也是全球新型太阳能电池研发的热点。
目前在光伏市场上薄膜太阳能电池的产品类型主要有CdTe薄膜电池、硅基薄膜电池和CIGS薄膜电池。这些薄膜太阳能电池根据衬底材料可以分为刚性（即玻璃衬底）电池和柔性（不锈钢或聚酯膜衬底）电池。其中柔性电池的优点是可折叠、重量轻、不易碎。与常规的晶体硅太阳能电池相比，这些薄膜电池使用材料很少，构成太阳能电池的薄膜材料厚度不超过5微米，而晶体硅电池厚度约180微米～200微米。各种材料薄膜太阳能电池以其特有的优势和逐渐成熟的工艺技术占有了光伏市场的一席之地，而且成长速度非常快，光电转换效率不断提高。而薄膜太阳能电池光电效率的提高，离不开理论上的模拟仿真。
日本的SolarFronTIer（前身是Showa Shell），技术和设备是自主开发的，其CIGS薄膜的技术路线是溅射加后硒化处理，核心就是后硒化处理。2011年5月瑞士科学家通过多次模拟仿真尝试之后，在柔性塑料衬底上制备出18.7%转换效率的CIGS电池，柔性电池的主要优点是可以采用卷对卷工艺来降低制造成本。2018年9月，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校等机构的研究人员通过理论计算和仿真模拟，设计出一种双层串联结构的太阳能电池，并且成功开发出这种新型薄膜太阳能电池，其双层设计大大提高了光电转换效率，高达22.4%，创造了同类太阳能电池新纪录。这种双层串联结构的太阳能电池，上层喷涂了1微米厚的钙钛矿，有助于高效捕捉太阳能，底层是厚约1微米的铜铟镓硒薄膜(CIGS)电池。薄膜电池表面经过纳米级的加工，再加上聚合有机物空穴传输层。这种设计可以让电池产生更高的电压，从而增加输出功率。
在国内，以汉能为代表的中国薄膜太阳能企业迅速崛起，其CIGS薄膜太阳能电池效率达到国际先进水平。南开大学陈永胜团队首次提出以半经验模型分析为指导进行了有机太阳能电池的模拟仿真，研究发现采用串联电池的策略来提高太阳能电池的效率。通过使用多样性高和易调带隙结构的有机材料，结合半经验模型，制备了一种经溶液处理的2T单片串联OPV，其光电转换效率（PCE）高达17.3%。
目前，国内外对光伏电池的建模方法大致可以分为两类：物理建模和仿真建模（行为建模）。物理建模是以光伏电池的等效电路为基础，基于光伏电池的工作原理及其物理本质建立的。仿真模型又称行为模型，是一种利用光伏电池厂商所提供的电池性能参数，忽略一些次要影响因素，采用工程近似的手段构建出能够拟合电池外部输出特性的数学表达式，从而实现对光伏电池外部行为特性的模拟。目前，实际工程应用中大多数都是采用此类建模方法。
仿真建模离不开仿真软件的支持，国际上已有一些太阳能电池模拟软件被光伏工作者采用，其中在国外广泛应用的SCAPS(a Solar Cell Capacitance Simulator)，主要应用于薄膜太阳能电池的仿真；在国内有结合开源软件AMPS对其进行改进升级的wxAMPS，其由国内研究人员进行改进内核算法，提高程序的稳定性与收敛能力。当然对于太阳能电池的仿真模拟还可以通过MATLAB/SIMULINK仿真软件来完成。
2. 研究的基本内容与方案
1．基本内容与目标
（1）学习太阳能光伏电池的结构和工作原理，了解薄膜太阳能电池的关键技术。
（2）查阅国内外应用scaps仿真软件的资料，了解软件的应用情况。
（3）应用scaps软件模拟薄膜太阳能电池的输出性能，评估膜厚，掺杂浓度，缺陷浓度等输入参数对薄膜太阳能电池性能的影响并评估器件结构的合理性，仿真获得高性能薄膜太阳能电池。
3. 研究计划与安排
| 2.18~3.1 | 提交文献检索摘要。撰写开题报告。并完成网上提交开题报告。整理论文提纲、设计概要。 |
| 3. 4~ 3.15 | 进行外文翻译，并提交外文翻译译文。 |
| 3.15~ 3.29 | 按照研究方案，开始研究模拟仿真。 |
| 4.1~ 4.12 | 撰写毕业设计论文。 |
| 4.15~ 5.10 | 网上提交毕业论文等附件，提交答辩申请。 |
| 5.13 ~ 5.31 | 根据导师意见修改毕业设计论文，准备答辩PPT。 |
| 6.1~ 6.3 | 毕业设计答辩。 |
| 备注： | 此表是拟定时间。如有变化，以实际为准。 |
4. 参考文献（12篇以上）
[1]张若云. 硅基薄膜叠层太阳能电池的仿真模拟和微晶硅氧薄膜的研究[d].浙江师范大学,2016.
[2]杨宇东. 基于表面等离激元复合纳米森林结构的薄膜太阳能电池[d].中北大学,2018.
[3]耿浩珂. 基于光栅结构薄膜太阳能电池结构设计和优化[d].郑州大学,2015.
