用于提高太陽(yáng)能電池效率的雙直徑納米柱結(jié)構(gòu)

戴萬(wàn)玲，王鈺妍

（上海電力大學(xué)，上海 200120）

為了利用并實(shí)現(xiàn)光伏技術(shù)的突破，人們不斷努力以降低生產(chǎn)成本，并提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。在這方面已經(jīng)取得了廣泛的進(jìn)展，通過(guò)改變器件結(jié)構(gòu)、使用不同的電極材料并利用捕獲和散射等方法提高光的吸收來(lái)提高性能[1]。而CdS和CdTe的特性有利于實(shí)現(xiàn)低成本的高效太陽(yáng)能電池，因此，基于CdS/CdTe的太陽(yáng)能電池是目前最有前途的薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)。納米柱陣列也被認(rèn)為是光伏應(yīng)用的理想結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供了電荷傳輸?shù)闹苯油緩絒2]。研究納米柱太陽(yáng)能電池可以提高對(duì)納米柱內(nèi)部載流子傳輸機(jī)制的理解，有助于研究者了解整體器件性能，并允許研究者修改納米柱中的幾何結(jié)構(gòu)。用于太陽(yáng)能電池的納米柱陣列通常是具有突變結(jié)（便于電荷分離）的垂直納米柱。這些納米柱具有與基本固態(tài)現(xiàn)象特征尺度相當(dāng)?shù)某叽?，并?duì)載流子有潛在的二維半量子限制。垂直納米柱陣列可以增強(qiáng)光吸收并提高電荷分離和收集效率。本文提出了一種新型雙直徑結(jié)構(gòu)的CdS/CdTe太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，其小直徑納米柱部分具有最小的反射率，大直徑部分則具有最大的有效吸收系數(shù)，因此增強(qiáng)了光吸收、載流子生成和收集，并使用SILVACOTCAD仿真工具對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬。器件仿真的結(jié)果證明了該結(jié)構(gòu)在提高載流子收集效率和太陽(yáng)能電池性能參數(shù)方面具有潛力。

1 器件結(jié)構(gòu)和仿真

圖1（a）和圖1（b）分別是傳統(tǒng)單直徑納米柱結(jié)構(gòu)和基于雙直徑納米柱結(jié)構(gòu)的n-CdS/p-CdTe太陽(yáng)能電池的二維截面。該結(jié)構(gòu)可以用上納米柱高度（Ltop）、納米柱高度（L）、上納米柱寬度（Dtop）、納米柱寬度（D）來(lái)表征。通過(guò)調(diào)整幾何參數(shù)，可以定制雙直徑納米柱的結(jié)構(gòu)來(lái)劃分吸收光譜[3]。一般來(lái)說(shuō)，小波長(zhǎng)光譜被直徑小、帶隙大的納米柱部分吸收，而長(zhǎng)波長(zhǎng)光譜被直徑大、帶隙小的納米柱吸收。雙直徑納米柱陣列對(duì)太陽(yáng)光譜的2個(gè)部分都具有高吸收率，平均光學(xué)吸收率超過(guò)90%[4]。

圖1 n-CdS/p-CdTe太陽(yáng)能電池的二維截面

2 仿真結(jié)果和討論

使用SILVACO TCAD軟件對(duì)單直徑和雙直徑的CdS/CdTe太陽(yáng)能電池的器件結(jié)構(gòu)建模和仿真計(jì)算。相關(guān)研究表明，納米柱結(jié)構(gòu)的光吸收與其形狀、結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)，故本文將圍繞太陽(yáng)能電池的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)（高度、直徑）對(duì)太陽(yáng)能電池性能參數(shù)的影響進(jìn)行研究，以得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本文在器件仿真時(shí)，考慮了影響器件運(yùn)行的各種物理模型，例如濃度和場(chǎng)依賴遷移率模型以及Shockley-Read-Hall復(fù)合等。有關(guān)所用模型和方法的詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參見(jiàn)Atlas手冊(cè)[5]。用于單直徑和雙直徑納米柱結(jié)果的CdS/CdTe太陽(yáng)能電池中的CdS和CdTe的摻雜濃度分別為5×16 cm-3和1×16 cm-3，電極的接觸材料為金（Au）。上述參數(shù)在2個(gè)器件中保持相同。設(shè)器件仿真中使用的所有參數(shù)的詳細(xì)值取自參考文獻(xiàn)[6]，并匯總在表1中。

表1 器件仿真中使用的參數(shù)

2.1 光照下的電流電壓特性

單直徑納米柱和雙直徑納米柱CdS/CdTe電池的電流電壓特性比較如圖2所示。

圖2 單直徑納米柱和雙直徑納米柱CdS/CdTe電池的電流電壓特性比較

由圖2可知，在AM1.5照明條件下，本文所設(shè)計(jì)的雙直徑納米柱結(jié)構(gòu)及其傳統(tǒng)單直徑納米柱結(jié)構(gòu)（Dtop/D=100%）太陽(yáng)能電池的模擬電流電壓特性。在2種器件中均使用了高度為400 nm的納米柱，并保持器件寬度相同?？梢钥闯觯c單直徑納米柱結(jié)構(gòu)相比，該器件在任何外加陰極電壓下都表現(xiàn)出更高的陰極電流密度。

研究表明，通過(guò)2個(gè)直徑不同的圓柱體形成納米柱，可見(jiàn)光譜的光吸收率得到了增強(qiáng)[7]。光學(xué)濃度效應(yīng)的本質(zhì)可以解釋為色散光學(xué)模的疊加，它是單直徑納米柱陣列中光吸收增強(qiáng)的主要因素。它們的色散和重疊因子強(qiáng)烈依賴于幾何形狀[8]。在雙直徑納米柱結(jié)構(gòu)中，研究者能夠定制太陽(yáng)能電池的幾何結(jié)構(gòu)，使短波長(zhǎng)光譜和長(zhǎng)波長(zhǎng)光譜集中在不同的納米柱內(nèi)，以提供高光吸收率，從而提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率。

2.2 納米柱高度之比的影響

納米柱高度之比對(duì)短路電流密度（Jsc）、開(kāi)路電壓（Voc）、填充因子（FF）、電池轉(zhuǎn)換效率（η）的影響如圖3所示。所有這些器件參數(shù)都是從AM1.5照明下太陽(yáng)能電池的電流電壓特性中提取出來(lái)的。保持納米柱寬度不變，納米柱高度之比從0增加到100%。由圖3可知，Jsc、Voc、FF、η隨納米管高度之比的增加先增大后減小。

圖3 納米柱高度之比對(duì)短路電流密度（J sc）、開(kāi)路電壓（V oc）、填充因子（FF）、電池轉(zhuǎn)換效率（η）的影響

2.3 納米柱寬度之比的影響

由上一節(jié)的研究可得，在納米柱高度之比大于70%以后，納米柱太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有下降的趨勢(shì)，所以在本節(jié)中選取納米柱高度之比固定為70%，納米柱寬度之比從0增加到100%。納米柱寬度之比對(duì)器件短路電流密度（Jsc）、開(kāi)路電壓（Voc）、填充因子（FF）、電池轉(zhuǎn)換效率（η）影響如圖4所示。由圖4可知，在給定的器件區(qū)域內(nèi)，保持納米柱高度之比不變，隨著納米柱寬度之比的增加，器件參數(shù)先增大再減小。可以看出，與單直徑納米柱結(jié)構(gòu)的n-CdS/p-CdTe太陽(yáng)能電池相比，雙直徑結(jié)構(gòu)器件的Jsc、Voc、FF和η值都有所提高。當(dāng)Ltop/L的值為0.5時(shí)，納米柱的光電轉(zhuǎn)換效率最高，為19.72%，短路電流密度為30.24A/cm2。

圖4 納米柱寬度之比對(duì)短路電流密度（J sc）、開(kāi)路電壓（V oc）、填充因子（FF）、電池轉(zhuǎn)換效率（η）的影響

3 結(jié)論

本文對(duì)一種新型的雙直徑納米柱結(jié)構(gòu)的CdS/CdTe太陽(yáng)能電池進(jìn)行了器件仿真，以在載流子的光生和電荷收集效率之間獲得更好的平衡。詳細(xì)的器件仿真結(jié)果表明，隨著不同直徑部分納米柱高度之比或?qū)挾戎鹊脑黾?，器件性能有所提高。然而，?duì)于給定的器件寬度或高度，太陽(yáng)能電池的性能參數(shù)首先增加到最大值，然后開(kāi)始減小。理想雙結(jié)吸收體的Shockley-Queisser極限約為44%[9]，這意味著該結(jié)構(gòu)仍有一些改進(jìn)空間。這種雙直徑DNPL陣列結(jié)構(gòu)為提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率提供了一個(gè)很有前景的方法，這種結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步發(fā)展為多直徑納米柱陣列。通過(guò)在空間和光譜上調(diào)整結(jié)構(gòu)以適應(yīng)吸收光譜分離的不同要求，它可以應(yīng)用于多結(jié)太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)中。