前言 #

随着全球对清洁能源需求的持续增长，太阳能因其取之不尽、零碳排放的特性，成为最具发展潜力的可再生能源之一。太阳能电池是实现光电转换的核心器件，其基本原理是当太阳光照射在具有光伏效应的半导体材料上时，半导体材料吸收光子后产生光生载流子，进而在内建电场或电极作用下形成光电流。

随着太阳能电池设计的复杂度增加，精确的数值仿真成为预测和优化电池性能的关键手段，其中，FDTD求解器可以求得太阳能电池的光生载流子产生速率，该速率可导入FDCharge求解器中进行电学仿真，以确定太阳能电池的关键指标。本案例通过导入光学结果，计算了太阳能电池的伏安特性等指标。

仿真设置 #

模型简介 #

本案例将光生载流子产生速率导入Solar，通过仿真计算得到太阳能电池的短路电流密度、光电转换效率等指标。

材料设置如上图所示，FDCharge求解器拥有专属的有源材料库（Electrical Material），太阳能电池的基本结构由硅（silicon，Si）、银（silver，Ag）和铝（aluminium，Al）构成。Si是器件的半导体基体，是所有载流子产生、输运与复合计算的核心载体。在Si中添加不同的掺杂以构建内建电场，调控载流子输运行为，具体如下：在整个Si区域进行P型均匀掺杂，掺杂浓度设定为 $2 \times 10^{16}\ \text{cm}^{-3}$；在Ag下方进行N型扩散掺杂，掺杂浓度设定为 $1 \times 10^{19}\ \text{cm}^{-3}$；在Al上方进行P型扩散掺杂，掺杂浓度设定为 $2 \times 10^{20}\ \text{cm}^{-3}$。

仿真结果 #

仿真中所用Si材料模型具有一些非理想特性，例如体复合效应。选择Si_bulk材料模型，它包含了肖克利-里德-霍尔（Shockley-Read-Hall，SRH）复合、辐射（Radiative）复合和俄歇（Auger）复合。运行仿真，得到在base电压为零时的短路电流为 $1.69 \times 10^{-5}\ \text{A}$。为若想计算更常用的短路电流密度，需要对太阳能电池的面积进行归一化，具体为仿真的归一化长度（Norm Length）乘以x方向长度（x span）。由此计算出Si_bulk模型得到的短路电流密度为 $169\ \text{A/m}^2$，即 $16.9\ \text{mA/cm}^2$。

通常用光电转换效率来评估太阳能电池的性能，其表达式可写为：

$$\eta = \frac{FF \times V_{oc} \times J_{sc}}{P_{AM1.5G}}$$

其中，$FF$为填充因子，$V_{oc}$为开路电压，$J_{sc}$ 为短路电流密度，$P_{AM1.5G}$为AM1.5G太阳光谱模型[1]下的入射功率，其值为 $100\ \text{mW/cm}^2$。

填充因子与最大功率有关，即电流和电压乘积的最大值：

$$FF = \frac{P_{max}}{V_{oc} J_{sc}}$$

因此，光电转换效率又可表示为如下形式：

$$\eta = \frac{P_{max}}{P_{AM1.5G}}$$

运行案例配套的脚本可以得到太阳能电池的伏安特性，此外，脚本会生成太阳能电池的功率曲线，用于计算电池的光电转换效率，还会将电池的开路电压、短路电流、最大功率、填充因子以及光电转换效率显示在脚本控制台（Script Console）中。当Si中具有上述三种体复合时，太阳能电池的光电转换效率为$8.24\%$。

$V_{oc}$ ($\text{V}$)	$J_{sc}$ ($\text{mA/cm}^2$)	$P_{max}$ ($\text{mW/cm}^2$)	$FF$	$\eta$ ($\%$)
0.589910	16.9431	8.24021	0.824443	8.24021

参考文献 #

[1] Standard Tables for Reference Solar Spectral Irradiances: Direct Normal and Hemispherical on 37° Tilted Surface, ASTM G 173-2003, 2003.