硅基徑向結(jié)PIN結(jié)構(gòu)太陽能電池設(shè)計與仿真優(yōu)化

［關(guān)鍵詞］太陽能電池；徑向結(jié)；PIN 結(jié)；硅納米線

［中圖分類號］TM914.4 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）11–0154–03

自工業(yè)革命以來，人類廣泛使用化石能源，包括石油、煤和天然氣等，導(dǎo)致能源面臨枯竭的風(fēng)險同時也加劇了環(huán)境問題，包括空氣和水污染、氣候變化、生態(tài)破壞和健康影響等[1]。開發(fā)和使用可再生能源是解決這些問題的關(guān)鍵。在全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，減少化石能源排放的大趨勢下，太陽能電池已成為重要的研究領(lǐng)域[2]。傳統(tǒng)的硅基大陽能電池已取得較大成就，但由于硅材料厚度的限制而導(dǎo)致大光吸收效率較低，難以進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率。因此，引入了硅納米線概念，通過硅納米線的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢來提高光電轉(zhuǎn)換效率[3]。

與傳統(tǒng)大陽能電池相比，納米線大陽能電池不僅可使用更少的硅材料制造出更小的電池，還可實現(xiàn)可彎曲、柔性等特性，具有更廣泛的應(yīng)用前景。硅納米線由于具有極高的比表面積和優(yōu)異的光學(xué)與電學(xué)性質(zhì)[4]，在太陽能電池領(lǐng)域備受關(guān)注。其中，硅納米線徑向結(jié)太陽能電池是一種新型的硅太陽能電池結(jié)構(gòu)。其利用納米線作為光捕獲材料，并在徑向上設(shè)計P 區(qū)、I 區(qū)和N 區(qū)3 個功能區(qū)，其中P 區(qū)和N 區(qū)為雜層，I區(qū)則為介電層。

1PIN結(jié)太陽能電池原理

1.1內(nèi)建電場的形成

在太陽能電池的制造過程中，P區(qū)和N區(qū)之間的I區(qū)是非晶硅無摻雜區(qū)域，因此，I 區(qū)內(nèi)部不存在自由電荷，而形成了一個帶電荷井[5]。為了使整個器件達(dá)到平衡狀態(tài)，電子會從P 區(qū)向N 區(qū)擴(kuò)散，產(chǎn)生負(fù)電勢梯度，重復(fù)周期性較低時，將為形成I 區(qū)的帶電荷井提供電子。

1.2光生電場的形成

當(dāng)陽光照射到器件表面時，光子會吸收在外圍拋物面反射鏡和透明玻璃電極間的SiO₂，并且保護(hù)層內(nèi)可產(chǎn)生電子– 空穴對（即光激發(fā)載流子）。其中電子會向P區(qū)擴(kuò)散并被捕獲，空穴則向N 區(qū)移動并被捕獲，電荷分離的同時，在P 區(qū)產(chǎn)生負(fù)電勢梯度，在N 區(qū)產(chǎn)生正電勢梯度。光生電場使P 區(qū)帶正電，N 區(qū)帶負(fù)電，于是在PN 區(qū)之間就有電動勢產(chǎn)生，即光生伏特效應(yīng)[6]。由于I 型半導(dǎo)體層中的電子和空穴濃度較低，使得PN 結(jié)區(qū)域中電場分布更為均勻，從而形成較強(qiáng)的光生電場。

2徑向結(jié)PIN結(jié)太陽能電池的基本模型與參數(shù)

2.1徑向結(jié)PIN結(jié)太陽能電池基本模型

因太陽能電池本質(zhì)上是面積較大的二極管器件，所以通過Comsol Multiphysics建立單個徑向結(jié)PIN結(jié)納米線，然后再形成一定密度的陣列。PIN 結(jié)太陽能電池由P 區(qū)、I區(qū)和N 區(qū)3部分組成。其中，P 區(qū)和N 區(qū)為接觸區(qū)，I 區(qū)為吸收光子區(qū)。當(dāng)太陽輻射照射到I 區(qū)時，將吸收光子產(chǎn)生的電子和空穴對，由于I 區(qū)中摻雜一定量的雜質(zhì)，因此形成了內(nèi)建電場，將電子和空穴向P區(qū)和N區(qū)移動。

3"Comsol Multiphysics相關(guān)參數(shù)的設(shè)置與選擇

（1）為整個仿真定義一個全局參數(shù)名稱為alPha，表達(dá)式為PI/4，表示太陽管的入射角度。通過組間1下的幾何1 構(gòu)建物理模型。為整個模型選擇長度單位nm，構(gòu)造一個矩形襯底，在其上面構(gòu)造兩個長度相同寬度不同的矩形即矩形2、矩形6，然后只需兩者去差集就可得到徑向結(jié)P 區(qū)的刨面圖。重復(fù)以上操作就可得到I 區(qū)和N 區(qū)。

（2）在仿真軟件“主頁”的工具欄中，點(diǎn)擊“添加材質(zhì)”窗口。在列表中，選擇半導(dǎo)體中的晶體硅。而后在窗口工具欄中單擊“添加到組件”。依此類推添加內(nèi)置的空氣材料及非晶硅材料。其中P 區(qū)N 區(qū)、完美匹配層和襯底為晶體硅材料，I 區(qū)為非晶硅材料，空氣層為空氣材料。

（3）為所添加的材料構(gòu)建成的模型添加物理場。在選擇研究樹中，選定物理界面，選擇電磁波頻域物理場。

（4）在電磁波頻域物理場下設(shè)置太陽光入射端口和出射端口。

4硅納米線徑向結(jié)PIN結(jié)太陽能電池的數(shù)值模擬與分析

4.1不同I區(qū)厚度對轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)化分析

徑向結(jié)PIN 結(jié)太陽能電池I 區(qū)厚度不同的吸收率如圖1所示。

從圖1中可以看到在200～500nm 光波波長下4個不同厚度的吸收率都很低。在500～900nm 處4個不同I 區(qū)厚度的吸收率整體呈上升趨勢，其中I 區(qū)厚度為100nm 在光波波長為800nm 處達(dá)到最大。在900～1200nm 光波波長處I 區(qū)厚度為100nm、200nm的吸收率呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢，I區(qū)厚度為250 nm、300 nm 呈現(xiàn)小幅度上升趨勢，并且I 區(qū)為250 nm 在950 nm 處達(dá)到全波段最大吸收率。

通過分析不同I 區(qū)厚度轉(zhuǎn)換效率可得出徑向結(jié)PIN 結(jié)太陽能電池在I 區(qū)厚度為50～200 nm 時電流密度增大，在200 nm 時電流密度達(dá)到最大，在200～400 nm 時減小，且徑向結(jié)PIN 結(jié)太陽能電池在I 區(qū)厚度在50～200 nm 時轉(zhuǎn)換效率增大，在200nm 時轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大，在200～400 nm 時減小，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因為，在I 區(qū)厚度較薄時，I 區(qū)的光吸收不太充分，其大部分的入射光會被納米線的P 區(qū)吸收。另外，P 區(qū)沒有內(nèi)建電場，所以產(chǎn)生的光生載流子會迅速的復(fù)合，而無法達(dá)到電極。隨著I 區(qū)厚度的增加，入射光的吸收越來越充分。其轉(zhuǎn)換效率也隨之增加。但在I 區(qū)厚度增加到200nm 后轉(zhuǎn)換效率有所下降，這是因為I 區(qū)過厚會使得載流子的運(yùn)輸距離增加，使其轉(zhuǎn)換效率有所降低。

4.2I區(qū)厚度為200nm下不同長度的優(yōu)化分析

在前文基礎(chǔ)上對不同長度的納米線進(jìn)行仿真模擬， 即在I 區(qū)為200nm 時構(gòu)建不同長度的徑向結(jié)PIN 結(jié)太陽能電池模型。文章進(jìn)行仿真模擬，構(gòu)建了長度為1100 nm、1200 nm、1300 nm、1400 nm、1900nm、2100nm 的二維納米線模型。并且通過模擬仿真可得到在光照下太陽能電池反射率、透射率和吸收率。

在200～800nm 光波波長處納米線長度為1100nm的反射率、透射率明顯低于其他3 個厚度的反射率、透射率，其中長度為1300nm、1800nm、2100nm 的反射率、透射率大體呈緩慢上升趨勢，并在光波波長為600 nm 和納米線長度為1100nm 處反射率、透射率達(dá)到最大。在光波波長800～1200 nm 處4個不同I區(qū)厚度的反射率、透射率整體呈先上升后下降趨勢，但納米線長度為1 300 nm 光波波長為950 nm 處達(dá)到全波長段最高的反射率透射率。

通過公式（5）、公式（6）可計算在I 區(qū)厚度一定時不同納米線長度的太陽能電池短路電流密度Jsc和轉(zhuǎn)換效率η。

通過分析不同納米線長度的電流密度可知，在納米線長度為1100～1300nm 時轉(zhuǎn)換效率和電流密度在緩慢增加，并在1 300 nm 處達(dá)到最高，以及在1300～1900nm 不斷減小的現(xiàn)象，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是，隨著納米線長度的增加，納米線的有效折射率在不斷降低，光吸收率和抗反射性能越來越強(qiáng)，其轉(zhuǎn)換效率也不斷增加。但在納米線長度為1300nm 后轉(zhuǎn)換效率有所下降，這是因為過長的納米線會增強(qiáng)入射光的漫反射效應(yīng)，從而降低了納米線對光的吸收能力。

5結(jié)束語

硅納米線太陽能電池具有低成本和原料易得等優(yōu)點(diǎn)，在以硅基為主的太陽能電池市場中具有一定的優(yōu)勢及潛力，但目前硅納米線太陽能電池還處于實驗室階段，要想商業(yè)化，還有很長的路要走。文章通過Comsol Multiphysics 軟件對硅納米線太陽能電池進(jìn)行建模分析，并在理論上進(jìn)行優(yōu)化，得到的轉(zhuǎn)換效率和電流密度較為理想化。通過做建模分析并在軟件上模擬理想化的條件得到了硅納米線徑向結(jié)PIN 結(jié)太陽能電池在I 區(qū)厚度200nm、長度1 300nm處轉(zhuǎn)換效率最大。