使用Ansys Lumerical优化太阳能电池设计
使用Ansys Lumerical优化太阳能电池设计
随着全球对清洁能源需求的不断增长，太阳能电池作为可再生能源的重要组成部分，其设计和优化变得尤为重要。本文将介绍如何使用Ansys Lumerical软件对不同类型的太阳能电池进行仿真和优化，包括平面硅太阳能电池、等离子体太阳能电池、周期性结构太阳能电池、III-V太阳能电池板和PC结构有机太阳能电池。通过详细的模拟工作流程和具体案例分析，帮助工程师和技术人员更好地理解和优化太阳能电池的设计。
风能、太阳能和电动汽车等新型清洁能源技术已显示出巨大的减排潜力。为了实现净零排放，有必要更大规模地部署这些技术，同时部署氢能和碳捕获等仍处于早期发展阶段的其他技术解决方案。据估计，到 2050 年，风能、太阳能、生物能源、地热能和水力能源将占世界能源供应的三分之二 [1]。在未来 20 年里，太阳能光伏发电容量将增加 20 倍，而风能发电容量将增加 11 倍。图 1 显示了到 2030 年净零排放路径中关键清洁技术的发展情况。
图 1. 到 2030 年，关键清洁技术在净零路径中得到应用 [1]
到 2050 年，风能和太阳能光伏将提供全球近一半的能源（图 2）。当光照在太阳能电池上时，它会将阳光转化为电能。半导体用作光伏能量转换的 p-n 结。设计太阳能电池时通常需要进行光学和电气模拟。Ansys Lumerical FDTD 求解器用于模拟光吸收。可以针对本研究运行热模拟，以将加热效应作为设备性能的一部分。Ansys Lumerical DEVICE 用于在电气模拟过程中模拟电子-空穴复合。
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图 2. (a) 亚太地区各来源的全球发电量 (b) 新西兰地区各燃料的全球最终消费总量[1]。
为了提高太阳能电池的效率，我们将使用 Lumerical 工具演示薄膜材料、III-V 材料、有机材料、等离子体材料、染料敏化材料、光栅和光子晶体。本文档的其余部分将向您展示如何使用 Ansys Lumerical 来模拟和优化各种太阳能电池。
平面硅太阳能电池：
尽管与其他结构相比，薄膜太阳能电池的效率相对较低，但由于制造成本低，它们引起了人们的极大兴趣。Si 在较长波长下的低吸收率是效率低下的主要原因。在这个例子中，我们将使用 Lumerical 模拟一个简单的 1D 平面硅太阳能电池。吸收率可以根据电场强度和介电常数的虚部计算出来。Lumerical FDTD 模拟可以测量这两个参数。
您将学习如何在 Lumerical 太阳能电池模拟中定义几何图形、插入求解器和监控太阳能电池。作为示例，我们使用了覆盖模拟区域和 FDTD 区域的太阳能发电分析组。在太阳照射下，此计算可计算电子空穴对的生成率。太阳能发电分析组输出属性作为发电率数据导出到 Lumerical DEVICE，这有助于进行电气模拟。
图3 平面硅太阳能电池
为了纳入实际情况，我们还在模拟结构中加入了非理想情况，例如具有体重组的硅和具有体重组和表面重组的硅。最后，使用 Lumerical，您可以优化太阳能电池的短路电流、效率、开路电压和填充因子。以下是模拟太阳能电池的工作流程。
图4 太阳能电池模拟工作流程
垂直入射和斜入射的等离子体太阳能电池
薄膜太阳能电池有望大幅降低光伏电池的成本。然而，将光捕获在太阳能电池中以增加光吸收率（即提高转换效率）至关重要。
使用 Lumerical，您可以计算太阳参数并找出如何提高活性层的光吸收率。为此，提出了纳米级结构，例如纹理表面和表面上的纳米颗粒沉积。
使用抗反射涂层和纹理可减少反射并将光困在细胞内，从而延长其光路。研究人员发现，等离子体方法最有效地增加了光吸收。
在纳米材料中，银、金和铝反射大部分可见光并吸收大部分紫外光，因此能量损失最小，效率最大。通过因散射效应而产生局部表面等离子体，吸收增加，导致复合率降低、开路电压提高和转换效率提高，所有这些都是设计高效太阳能电池的关键性能参数。
图5 太阳能电池表面金属纳米颗粒
采用周期性结构的太阳能电池设计
由于 Si 具有间接带隙，因此近红外辐射的很大一部分在此厚度下不会被吸收。因此，使用非常薄的 Si 基板可以降低成本，但会增加效率。薄 Si 电池需要有效的光捕获方案，以避免过多的光损失。在基板顶部添加一层周期性结构可最大限度地减少太阳能电池对太阳辐射的大量背反射。在有限的光谱范围内，周期性结构比随机结构更能捕获光。多项研究已经调查了太阳能电池中周期性结构的光捕获效果。
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（三）
（四）
图 6 (a) 2D 硅方格太阳能电池 (b) 3D 柱状硅太阳能电池 (c) 带有 TiO2 金字塔阵列的硅太阳能电池 (d) 带有蛾眼防反射涂层的硅太阳能电池
III-V 太阳能电池板
最大限度地提高效率是设计太阳能电池的主要挑战之一。在本例中，您将了解 Lumerical 如何考虑光学和电气因素，这些因素会将单结 GaAs 太阳能电池的效率降低到 Shockley-Queisser 的理论极限以下。
图 7 III-V 太阳能电池板
PC结构有机太阳能电池
与传统的硅基太阳能电池相比，有机太阳能电池 (OSC) 具有多种优势，包括低成本和灵活性。对于许多实际应用来说，有必要提高低转换效率。已经进行了使用纳米级结构通过增加光吸收来提高转换效率的研究。在光活性层中使用光子晶体结构可以通过将光捕获为结构内的泄漏模式来增强光吸收。在本部分中，您将了解如何使用 Lumerical 在 PC 上模拟 OSC 内的光吸收。
图8 PC结构有机太阳能电池
综上所述，Lumerical 可以模拟不同类型的太阳能电池，可以模拟太阳能电池的周期性结构、等离子体特性、有机特性，并计算和优化其性能。
本文原文来自CSDN博客
[1] IEA (2021)，2050 年净零排放，IEA，巴黎 https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050，许可证：CC BY 4.0