Lumerical实现太阳能电池光电特性仿真的有效方法

太阳能电池仿真研究可为光伏产品的研发节约成本，缩短研发周期，并预测产品光电转换效率与光电输出特性。目前各大高校与科研机构在太阳能电池仿真领域主要运用的商业软件有COMSOL多物理场耦合软件、AFORS-HET、Rsoft以及Silvaco等。本案以Lumerical 软件为例，介绍利用FDTD与DEVICE模块实现可见光波段典型硅光太阳能电池的光电特性仿真。

一、 构建光学吸收模型

建立合适的边界条件和光源设置，搭建典型的硅平板太阳能电池结构在正向太阳光的照射下光吸收模型。

二、计算载流子产生率G

FDTD模块可以利用上述物理学公式，脚本编程计算出电池内部空间分布的载流子产生率。

载流子产生率在平板电池中表现为上层值较大，底部值较小，说明入射光大部分被电池上层吸收，能够穿透电池到达电池底部被半导体耦合吸收的入射光是极少数。

三、搭建电学仿真模型

DEVICE模块为后续电学仿真提供了高效快捷的电学特性计算途径。在电学仿真模块中需要考虑电池窗口层材料，金属电极材料，欧姆接触，掺杂与复合等因素。

通过优化电池电学参数可以有效提高电池的光电转换效率。但是考虑到电池实际处于的物理环境，电学仿真比纯光学仿真计算结果更加接近实际的电池工作效率。

四、 导入载流子产生率至电学模块

载流子产生率是连接电池光学模块和电学模块的桥梁。将波长积分计算得到的载流子产生率导入DEVICE模块可以继续仿真计算电池电学特性。

DEVICE模块为用户提供了友好方便的载流子产生率导入界面，用户可以使用FDTD模块计算得出的G数据集载入控件窗口，并可以针对偏振光或非偏振光设置修正系数。

五、 扫描负载电压计算电流响应

对于太阳能电池，短路电流和开路电压是衡量其光电转换效率的直接指标。除此之外，可以通过进一步计算得出电池的功率-电压曲线，得出电池的最大功率工作点，这对电池的使用场景极为重要。

用户在估测电池的开路电压范围的基础上确定需要计算的负载电压范围，实现电流-电压一一对应的曲线结果计算。

注意扫描计算电压取样点越多，电流-电压曲线越精细平滑。

六、 输出与分析电学特性

在理想状况下的电学模拟计算的理想短路电流（12.154 mA/cm^2）较光学模拟计算结果（13.8687 mA/cm^2）稍低（~12%），这是因为在模拟光学过程时并没有考虑电极区域存在的阴影效应（shadow effect，电极阻挡了部分入射光进入电池），而模拟电学过程中必须加上电极。电学模拟从侧面反映了电池中光生载流子的分离效率。

七、 电学因素分析

除了电池的伏安特性曲线和功率曲线可以计算以外，DEVICE模块也为用户提供了强大的其他电学因素计算分析。上图展示了电池在光照条件下的电势分布。此外，比如掺杂分布、载流子迁移速率、扩散长度、复合速率、热效应等都可以通过相关控件实现仿真模拟。通过优化上述电学参数等可为光伏产品工作者提供方便快捷高效的研发预演和结构设计评估。

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