硅基徑向結PIN結構太陽能電池設計與仿真優化

［關鍵詞］太陽能電池；徑向結；PIN 結；硅納米線

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

自工業革命以來，人類廣泛使用化石能源，包括石油、煤和天然氣等，導致能源面臨枯竭的風險同時也加劇了環境問題，包括空氣和水污染、氣候變化、生態破壞和健康影響等[1]。開發和使用可再生能源是解決這些問題的關鍵。在全球能源結構轉型，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域[2]。傳統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致大光吸收效率較低，難以進一步提高光電轉換效率。因此，引入了硅納米線概念，通過硅納米線的結構優勢來提高光電轉換效率[3]。

與傳統大陽能電池相比，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，還可實現可彎曲、柔性等特性，具有更廣泛的應用前景。硅納米線由于具有極高的比表面積和優異的光學與電學性質[4]，在太陽能電池領域備受關注。其中，硅納米線徑向結太陽能電池是一種新型的硅太陽能電池結構。其利用納米線作為光捕獲材料，并在徑向上設計P 區、I 區和N 區3 個功能區，其中P 區和N 區為雜層，I區則為介電層。

1PIN結太陽能電池原理

1.1內建電場的形成

在太陽能電池的制造過程中，P區和N區之間的I區是非晶硅無摻雜區域，因此，I 區內部不存在自由電荷，而形成了一個帶電荷井[5]。為了使整個器件達到平衡狀態，電子會從P 區向N 區擴散，產生負電勢梯度，重復周期性較低時，將為形成I 區的帶電荷井提供電子。

1.2光生電場的形成

當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，并且保護層內可產生電子– 空穴對（即光激發載流子）。其中電子會向P區擴散并被捕獲，空穴則向N 區移動并被捕獲，電荷分離的同時，在P 區產生負電勢梯度，在N 區產生正電勢梯度。光生電場使P 區帶正電，N 區帶負電，于是在PN 區之間就有電動勢產生，即光生伏特效應[6]。由于I 型半導體層中的電子和空穴濃度較低，使得PN 結區域中電場分布更為均勻，從而形成較強的光生電場。

2徑向結PIN結太陽能電池的基本模型與參數

2.1徑向結PIN結太陽能電池基本模型

因太陽能電池本質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PIN結納米線，然后再形成一定密度的陣列。PIN 結太陽能電池由P 區、I區和N 區3部分組成。其中，P 區和N 區為接觸區，I 區為吸收光子區。當太陽輻射照射到I 區時，將吸收光子產生的電子和空穴對，由于I 區中摻雜一定量的雜質，因此形成了內建電場，將電子和空穴向P區和N區移動。

3"Comsol Multiphysics相關參數的設置與選擇

（1）為整個仿真定義一個全局參數名稱為alPha，表達式為PI/4，表示太陽管的入射角度。通過組間1下的幾何1 構建物理模型。為整個模型選擇長度單位nm，構造一個矩形襯底，在其上面構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P 區的刨面圖。重復以上操作就可得到I 區和N 區。

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

（3）為所添加的材料構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置太陽光入射端口和出射端口。

4硅納米線徑向結PIN結太陽能電池的數值模擬與分析

4.1不同I區厚度對轉換效率的優化分析

徑向結PIN 結太陽能電池I 區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 區厚度的吸收率整體呈上升趨勢，其中I 區厚度為100nm 在光波波長為800nm 處達到最大。在900～1200nm 光波波長處I 區厚度為100nm、200nm的吸收率呈現較明顯的下降趨勢，I區厚度為250 nm、300 nm 呈現小幅度上升趨勢，并且I 區為250 nm 在950 nm 處達到全波段最大吸收率。

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

4.2I區厚度為200nm下不同長度的優化分析

在前文基礎上對不同長度的納米線進行仿真模擬， 即在I 區為200nm 時構建不同長度的徑向結PIN 結太陽能電池模型。文章進行仿真模擬，構建了長度為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、透射率達到最大。在光波波長800～1200 nm 處4個不同I區厚度的反射率、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 時轉換效率和電流密度在緩慢增加，并在1 300 nm 處達到最高，以及在1300～1900nm 不斷減小的現象，出現該現象的原因是，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，其轉換效率也不斷增加。但在納米線長度為1300nm 后轉換效率有所下降，這是因為過長的納米線會增強入射光的漫反射效應，從而降低了納米線對光的吸收能力。

5結束語

硅納米線太陽能電池具有低成本和原料易得等優點，在以硅基為主的太陽能電池市場中具有一定的優勢及潛力，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行建模分析，并在理論上進行優化，得到的轉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PIN 結太陽能電池在I 區厚度200nm、長度1 300nm處轉換效率最大。