单结与多结光伏器件频域和三维空间光学电学仿真

Accurate simulation and performance prediction play an important role in the design and optimization of solar cells. With the progress of photovoltaic technologies, the conventional low-dimensional electronic calculation and purely optical approximation cannot satisfy the requirement for the design of the latest solar devices. This project aims to establish a simulation model integrated with both optical and electronic calculations in frequency domain, where the optical and electronic responses can be analyzed rigorously in order to obtain the accurate and complete performance parameters in both domains. This study will break the limits of previous model, by paying more attention to the photovoltaic mechanisms of the photovoltaic materials, the calcualtion stability, the model extendability, etc., for a more complete and extendable three-dimensional optical and electronic simulation system. Besides the single-junction solar cells, models for multi-junction and micro/nano-structured photovoltaic systems will be developed as well. The research topics include full-vector electomagnetic modelling based on finite-element method, rigorous three-dimensional electrodynamic modelling, and design of single- and multi-junction solar cells. We will especially concentrate on simulating the carrier processes including generation, transportation, recombination, and collection in frequency and all-spatial domains for single- and multi-junction solar cells. Some optical and electronic phenomena, such as optical absorption, photo-generated current, dark current, and light-conversion, etc, will be studied in detail. The simulatio results will be compared with experiments from typical literatures in order to verify and further optimize the model.

高精度仿真和性能预测对太阳能电池设计和优化有重要作用。随着光伏技术的发展，传统低维电学计算或纯光学近似处理已难以满足日益多样的太阳能器件设计要求。本课题旨在构建基于频域和三维空间的光电一体仿真模型，通过严格分析太阳能电池在光学电学域的响应，准确得到系统全面的光学电学性能指标。本研究将在半导体材料光伏机制、模型稳定性和拓展性等方面突破现有模型局限，建立更为完善和普适性更强的三维光电设计系统。除单结太阳能电池外，还将模型拓展到多结以及多种微纳结构光伏系统。研究内容包括全矢量有限差分电磁建模、严格的三维空间电动力学建模以及单结/多结太阳能电池优化设计。着重针对典型单结和多结太阳能电池模拟全空间和频域中载流子的产生、输运、复合和收集等电动力学过程，以及光学吸收、光生电流、暗电流以及光电转换等光学电学现象。仿真结果将与文献实验进行对比，以验证和进一步优化模型。

本课题构建基于频域和三维空间的光电一体仿真模型，通过严格分析太阳能电池在光学电学域的响应，准确得到系统全面的光学电学性能指标。本研究在半导体材料光伏机制、模型稳定性和拓展性等方面突破现有模型局限，建立更为完善和普适性更强的三维光电设计系统。除单结太阳能电池外，还将模型拓展到多结以及多种微纳结构光伏系统。研究内容包括全矢量有限差分电磁建模、严格的三维空间电动力学建模以及单结/多结太阳能电池优化设计。着重针对典型单结和多结太阳能电池模拟全空间和频域中载流子的产生、输运、复合和收集等电动力学过程，以及光学吸收、光生电流、暗电流以及光电转换等光学电学现象。. 通过把麦克斯韦电磁方程和半导体输运方程无缝耦合，我们建立了基于单纳米线太阳电池的光电耦合模型。通过全面考虑半导体掺杂、表面复合和器件尺寸对电池性能的影响，模型能够获得陷光性能（例如泄露模）和载流子产生/复合等细致的微观特征。同时，模型也能够方便的获得吸收效率、外量子效率和伏安特性等宏观电学特征，为全面评价单纳米线太阳电池提供了有力工具。. 在此基础上，我们大量设计了新型单纳米线太阳电池，并进行了光学和电学评估。我们提出了一种新的纳米线截面，即在圆形截面上去掉一个新月形的部分，从而大大增加纳米线的光吸收能力。虽然活性层材料减少了，但是该对称破缺的新结构的光吸收却意外的增加了45%。通过添加金属背反射层，在不考虑材料用量减少的情况下，光电流增加比可达66.2%。电学计算表明，新结构的光电转换效率提高了将近40.8%。类似地，我们引入非对称的电介质核壳结构，也发现能够大大增强单纳米线太阳电池的光学吸收能力。这种结构能够增加活性材料的光耦合效率，并且能够把光线聚集到核心的太阳电池中。研究表明，适当的把核心的太阳电池偏离中心位置，即形成偏轴结构时，光学吸收能力能够在很宽的波段里大为增强，且不损害光生载流子的收集能力。光电耦合模型的计算结果表明，对于悬空的单纳米线太阳电池而言，偏轴结构比中心对称结构的光电流密度和光电转换效率能够成近两倍的增加。最后项目还针对极限效率展开了系列深入研究。