太阳能电池的计算机仿真
中科幻彩 纳米人 2019-04-13

太阳能电池的设计和创新无外乎于两个方面:增强器件的光学吸收性能与增强器件内部的载流子传导收集效率。前者从根本上决定了器件俘获光能的能力,而后者则关乎器件的实际电气输出性能,两者相辅相成,缺一不可。


由于太阳能电池中同时存在光场、电场、载流子分布、边缘界面态等多种相互耦合的物理机制,使得准确预测器件的光电性能变得困难,尤其是在使用了新型的器件构型和光电材料之后。高档次的太阳能电池研究论文往往需要借助计算机模拟仿真来获得器件内部的各种物理信息,为其研究成果提供强有力的理论依据和实验参照。


半导体太阳能电池的计算机仿真技术继承于传统的半导体工艺模拟和器件模拟技术,即TCAD(Technology Computer Aided Design)模拟技术。在传统TCAD软件家族里,最为大家所熟知的两大巨头便是来自Silvaco公司的Silvaco TCAD套装与来自Synopsys公司的Sentaurus TCAD套装。这两款软件包可以实现从半导体器件制造工艺模拟,到分立器件物理特性(电、光、声)仿真,再到电路集成系统性能测试的“全栈式”计算机模拟和设计自动化,因此被广泛使用于现代半导体设计与制造领域,堪称行业标准。其超高的模拟精准度甚至可以用来指导半导体生产线的参数调试。


在光电器件仿真方面,TCAD软件的核心都是先通过各类光学仿真器建立器件内部的稳态光场分布并获得载流子激发速率,再利用有限元分析求解器件内部在指定工作电压下的稳态电场与载流子流场,并最终推算出电极处的光电流强度以及器件的光电能量效率。


传统TCAD仿真软件至今仍然活跃在以硅太阳能电池为代表的传统光伏器件研究领域。例如斯坦福大学崔毅团队便使用了Sentaurus TCAD计算并指导设计了硅基薄膜背接触太阳能电池,相关研究成果被发表在Nature Communications上 ( DOI: 10.1038/ncomms3950)。


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图 1使用Sentaurus TCAD模拟模拟硅基太阳能电池,获得伏安曲线、内外量子效率等器件特性参数 (Nature Communications | DOI: 10.1038/ncomms3950)


随着纳米材料和微纳尺寸器件构型在太阳能电池领域的兴起,光学设计的重要性日益突出。一方面,由于纳米块材,如纳米线、纳米柱等,在空间上天然的稀疏性,或者因为纳米晶薄膜材料中有限的载流子传递效率对材料厚度的巨大限制(通常在几百纳米以内),导致这类器件在光能吸收方面可能有先天的不足。而另一方面,合理使用微纳结构的光学共振特性,能显著提高器件对共振波段的有效吸收,甚至还有可能在光学性能上超越一般的块材器件。


在这样的背景下,传统TCAD软件普遍采用的基于光线追踪(Ray Trace)算法的光学仿真器变得不再适用,与此同时一类更加注重器件微纳光学性能计算,精简载流子输运模拟的仿真模式开始在太阳能电池领域兴起。例如FDTD(Finite-difference time-domain)和 COMSOL光学仿真器便是其中的代表。得益于对麦克斯韦方程的直接(数值)求解,这类仿真模式能更加准确地还原器件的各类光学模式和载流子激发分布,尤其在对拥有光子晶体、表面等离子激元等光学现象的器件上有突出的表现。


下面介绍的这一篇来自美国德州奥斯汀分校Shaochen Chen团队的Nano Letters(Nano Lett |DOI: 10.1021/nl904057p)便是一篇时间相对较早的代表性论文。在这篇文章中,研究人员使用了FDTD光学仿真探究了使用金属条栅结构在薄膜电池中获得广谱、广角、偏振不敏感的光吸收增强的可能。其背后的物理机理便是充分利用了薄膜器件中Fabry - Perot共振、平面波导以及金属条栅的表面等离子激元等多种光学模式。而FDTD模拟成为了揭示这一作用机理的利器。


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图2使用FDTD光学模拟准确获取薄膜太阳能电池中的光学模式(Nano Lett |DOI: 10.1021/nl904057p)


在实验方面,香港科技大学范志勇教授团队使用纳米拓印技术将类似上述的器件设计理念应用于超薄非晶硅电池的设计创新中,成功使器件的光学性能获得了约30%的提升,相关研究成果被刊发在顶级神刊物EES上(Energy Environ. Sci| DOI: 10.1039/c3ee41139g)。这里,FDTD/COMSOL光学模拟同样在器件设计指导与论文理论说明上提供了强有力的支撑。


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图3使用FDTD光学模拟还原使用复杂器件构型下的内部光场信息(Energy Environ. Sci| DOI: 10.1039/c3ee41139g)


对于基于纳米线\柱构型的太阳能电池而言,准确计算预测纳米线\柱结构中的光学共振模式,如Mie共振模式和波导模式,是获得优质光学吸收性能的一大前提。


在这篇曾经引领一时风潮的InP纳米线太阳能电池的报道中(Science|DOI:10.1126/science.1230969),瑞典兰德大学Magnus T. Borgström教授团队就使用了散射矩阵(scattering matrix)法计算了InP纳米线阵列中的光场分布以及每根纳米线内部相应的载流子激发率。这些模拟结果成为其论证纳米线太阳能电池光学性能的重要理论依据。


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图 4  使用光学模拟技术获取InP纳米线阵列中的载流子激发率分布(Science|DOI: 10.1126/science.1230969)


而后来更为登峰造极的经典之作当属下面这篇来自丹麦哥本哈根大学Anna Fontcuberta i Morral教授团队的Nature Photonics(NATURE PHOTONICS|DOI: 10.1038/NPHOTON.2013.32)。在这篇文章中,研究团队使用了一根看似平淡无奇的p-i-n核-壳(core-shell)纳米单线,通过利用纳米线的Mie共振模式,获得了对太阳光谱有针对性的增强吸收,最终在标准光谱下(AM1.5)实现了超越Shockley–Queisser极限的器件转换效率!助其完成光学理论验证与说明的正是更为精准和完备的FDTD光学仿真。


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图 5使用FDTD光学仿真设计单纳米线太阳能电池,获得超越Shockley–Queisser极限的器件转换效率(NATURE PHOTONICS|DOI:10.1038/NPHOTON.2013.32)


在以量子点薄膜为代表的新兴薄膜材料电池领域,计算机仿真同样在增强薄膜的整体光学吸收性能和载流子输运效率方面显现出强大的指导能力和实用价值。


以量子点电池闻名于世界的多伦多大学Sargent教授课题组自2014年以来,多次在Nano Letters, ACS Nano等顶级期刊上发表有关利用量子点薄膜整体构型来提升其光学吸收性能的研究成果,而其背后同样使用了大量的FDTD光学仿真来论证支持他们的设计。

(NanoLetters|DOI: 10.1021/nl504086v, 

ACSNano|DOI: 10.1021/acsnano.5b01296, 

NanoLetters|DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05241)


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图6利用FDTD仿真,计算复杂量子点薄膜构型的光学吸收性能(Nano Letters|DOI: 10.1021/nl504086v)


而在Sargent课题组更早期一点的研究中(Advance Material| DOI:10.1002/adma.201104832),他们更是借助了Sentaurus TCAD器件仿真来研究纳米柱构型的电极结构在量子点薄膜中收集载流子的能力,成为当时研究纳米晶薄膜电池载流子输运效率的经典之所。


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图 7使用Sentaurus TCAD研究了纳米柱构型的电极结构在量子点薄膜中收集载流子的能力(Advance Material| DOI:10.1002/adma.201104832)


总结一下,太阳能电池的器件仿真可以帮助我们获得器件内部准确的光场与载流子激发分布,并可以进一步计算出器件内部的载流子收集传输情况,获得器件的完整伏安工作特性。以此为基础,太阳能电池的四大基础参数,即短路电流、开路电压、填充因子和能量效率,都可以计算得出。在光学仿方面,微纳尺寸构型的太阳能电池应该充分考虑其中的光学共振模式所带来的影响。借助器件模拟技术,可以为器件的形貌设计和材料选择提供坚实的理论指导。


通过上面介绍过的例子我们看到,半导体器件模拟仿真在太阳能电池研究领域的巨大作用。优质的器件仿真可以显著提高研究成果的理论完备性。

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