2.1　CZTSe太陽(yáng)能電池的數(shù)值模擬模型建立

2.1.1　太陽(yáng)能電池的數(shù)值模擬和SCAPS-1D軟件介紹

SCAPS-1D是一個(gè)一維太陽(yáng)能電池?cái)?shù)值模擬軟件，由比利時(shí)Gent大學(xué)的Marc Burgelman等開發(fā)［28-29］。其基本原理是根據(jù)建立的電池結(jié)構(gòu)模型和輸入的材料參數(shù)，求解這些約束條件下的泊松方程和電流的連續(xù)性方程，即

式中：　ε為材料的介電常數(shù)；φ為電勢(shì)；q為電子電量；p、n分別為自由載流子空穴、電子的濃度；ND+、NA-分別為電離施主、受主的濃度；、分別為電子電流密度、空穴電流密度；R、G分別為電子空穴對(duì)的復(fù)合率、產(chǎn)生率。

通過設(shè)定材料參數(shù)和相應(yīng)的邊界條件，SCAPS-1D軟件通過數(shù)值計(jì)算求解上述方程得到太陽(yáng)能電池的相關(guān)特性。

對(duì)于太陽(yáng)能電池，人們主要關(guān)注的參數(shù)包括太陽(yáng)能電池的效率、開路電壓、短路電流、填充因子等性能指標(biāo)。圖2-1所示為典型的太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線。短路電流密度Jsc是指電池短路時(shí)（電壓為0）這一極端情形下的電流密度，相應(yīng)的開路電壓Uoc是指電池開路時(shí)（電流為0）的電壓。最大功率點(diǎn)Pm是伏安特性曲線上特定的一個(gè)點(diǎn)，當(dāng)太陽(yáng)能電池工作在此點(diǎn)時(shí)，其單位面積的輸出功率達(dá)到最大。最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓和電流密度定義為Um和Jm。太陽(yáng)能電池的填充因子（Fill Factor，F(xiàn)F）定義為

太陽(yáng)能電池的效率定義為最大輸出功率與輸入功率之比，即

其中輸入功率Pi由入射在單位面積太陽(yáng)能電池上的光功率決定。以上這些參數(shù)對(duì)太陽(yáng)能電池的實(shí)際應(yīng)用非常重要。

圖2-2是SCAPS-1D軟件的主界面，通過界面操作可以進(jìn)行環(huán)境參數(shù)、仿真輸出等設(shè)置。圖2-3是太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)建模界面，在此可以建立電池的基本結(jié)構(gòu)，并輸入相應(yīng)的材料參數(shù)。

2.1.2　CZTSe太陽(yáng)能電池模型建立

在本研究中，首先建立CZTSe薄膜太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)，如圖2-4所示。電池的基本結(jié)構(gòu)按光線入射方向從右到左依次為前金屬電極（Front Contact）/TCO/N型緩沖層/P型CZTSe吸收層/背電極（Back Contact）。在SCAPS-1D軟件中，主要需要設(shè)置的是TCO/N型緩沖層/P型CZTSe吸收層這三層材料的相關(guān)參數(shù)。在這個(gè)基本結(jié)構(gòu)中，選用IMO材料作為TCO層，CdS材料作為緩沖層。具體參數(shù)設(shè)置如表2-1所示，數(shù)據(jù)主要來(lái)源于理論、文獻(xiàn)和部分假設(shè)等［30］。