單結與多結光伏器件頻域和三維空間光學電學仿真

《單結與多結光伏器件頻域和三維空間光學電學仿真》是依託蘇州大學，由李孝峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：單結與多結光伏器件頻域和三維空間光學電學仿真
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李孝峰
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

高精度仿真和性能預測對太陽能電池設計和最佳化有重要作用。隨著光伏技術的發展，傳統低維電學計算或純光學近似處理已難以滿足日益多樣的太陽能器件設計要求。本課題旨在構建基於頻域和三維空間的光電一體仿真模型，通過嚴格分析太陽能電池在光學電學域的回響，準確得到系統全面的光學電學性能指標。本研究將在半導體材料光伏機制、模型穩定性和拓展性等方面突破現有模型局限，建立更為完善和普適性更強的三維光電設計系統。除單結太陽能電池外，還將模型拓展到多結以及多種微納結構光伏系統。研究內容包括全矢量有限差分電磁建模、嚴格的三維空間電動力學建模以及單結/多結太陽能電池最佳化設計。著重針對典型單結和多結太陽能電池模擬全空間和頻域中載流子的產生、輸運、複合和收集等電動力學過程，以及光學吸收、光生電流、暗電流以及光電轉換等光學電學現象。仿真結果將與文獻實驗進行對比，以驗證和進一步最佳化模型。

結題摘要

本課題構建基於頻域和三維空間的光電一體仿真模型，通過嚴格分析太陽能電池在光學電學域的回響，準確得到系統全面的光學電學性能指標。本研究在半導體材料光伏機制、模型穩定性和拓展性等方面突破現有模型局限，建立更為完善和普適性更強的三維光電設計系統。除單結太陽能電池外，還將模型拓展到多結以及多種微納結構光伏系統。研究內容包括全矢量有限差分電磁建模、嚴格的三維空間電動力學建模以及單結/多結太陽能電池最佳化設計。著重針對典型單結和多結太陽能電池模擬全空間和頻域中載流子的產生、輸運、複合和收集等電動力學過程，以及光學吸收、光生電流、暗電流以及光電轉換等光學電學現象。 通過把麥克斯韋電磁方程和半導體輸運方程無縫耦合，我們建立了基於單納米線太陽電池的光電耦合模型。通過全面考慮半導體摻雜、表面複合和器件尺寸對電池性能的影響，模型能夠獲得陷光性能（例如泄露模）和載流子產生/複合等細緻的微觀特徵。同時，模型也能夠方便的獲得吸收效率、外量子效率和伏安特性等巨觀電學特徵，為全面評價單納米線太陽電池提供了有力工具。 在此基礎上，我們大量設計了新型單納米線太陽電池，並進行了光學和電學評估。我們提出了一種新的納米線截面，即在圓形截面上去掉一個新月形的部分，從而大大增加納米線的光吸收能力。雖然活性層材料減少了，但是該對稱破缺的新結構的光吸收卻意外的增加了45%。通過添加金屬背反射層，在不考慮材料用量減少的情況下，光電流增加比可達66.2%。電學計算表明，新結構的光電轉換效率提高了將近40.8%。類似地，我們引入非對稱的電介質核殼結構，也發現能夠大大增強單納米線太陽電池的光學吸收能力。這種結構能夠增加活性材料的光耦合效率，並且能夠把光線聚集到核心的太陽電池中。研究表明，適當的把核心的太陽電池偏離中心位置，即形成偏軸結構時，光學吸收能力能夠在很寬的波段里大為增強，且不損害光生載流子的收集能力。光電耦合模型的計算結果表明，對於懸空的單納米線太陽電池而言，偏軸結構比中心對稱結構的光電流密度和光電轉換效率能夠成近兩倍的增加。最後項目還針對極限效率展開了系列深入研究。