基于雙直徑納米柱的CdS/CdTe 太陽能電池仿真

戴萬玲，王鈺妍

（上海電力大學(xué)，上海 200000）

納米柱型太陽能電池通過有效收集產(chǎn)生的載流子，提高器件參數(shù)，如開路電壓（Voc）、短路電流（Jsc）、填充因子（FF）和電池轉(zhuǎn)換效率（η）等。而太陽能電池的性能通常受到材料的吸收系數(shù)、材料的厚度、材料的類型及其結(jié)構(gòu)和工作溫度的影響。在各種成本較低的能量轉(zhuǎn)換材料中，基于CdS/CdTe 的太陽能電池?zé)o論從能量轉(zhuǎn)換效率還是成本上都顯示出了巨大的優(yōu)勢。這是由于其與其他化合物薄膜電池相比具有以下特點：（1）CdTe 的禁帶寬度（約1.45 eV）與太陽能光譜相匹配，高于硅材料100 倍的吸收系數(shù)等材料特性，適合制備高效薄膜太陽電池，其理論轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化率高達29%[1]；（2）CdTe 相比硅材料具有功率溫度系數(shù)低和弱光效應(yīng)好等特性，更適于沙漠、高溫等復(fù)雜的地理環(huán)境，以及在清晨、陰天等弱光環(huán)境下也能發(fā)電；（3）CdTe 屬于簡單的二元化合物，易生成單相材料，已有多種技術(shù)可制備10%以上的CdTe 小面積電池，具有沉積速率高、原材料利用率高及生產(chǎn)成本低，以及所制備的膜質(zhì)好、晶粒大等優(yōu)點，應(yīng)用最為廣泛，可實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)[2]。

盡管如此，現(xiàn)有的CdS/CdTe 太陽能電池的效率仍然低于其預(yù)測的理論最高效率（29%）。為了進一步提高太陽能電池的性能，研究人員進行了大量的實驗、器件仿真和理論研究[3-4]。

本文研究的是一種基于現(xiàn)有的單直徑納米柱結(jié)構(gòu)進行改進的雙直徑納米柱太陽能電池。該結(jié)構(gòu)利用具有小納米柱的頂層來提高對太陽光入射的吸收。在本文中，利用器件模擬器TCAD SILVACO 對上述的雙直徑納米柱CdS/CdTe 太陽能電池進行了器件模擬[5]。器件的陽極和陰極都使用了金觸點，在AM1.5 條件下進行仿真建模，提取了器件的伏安特性以及上述的其他參數(shù)，并與它的等效單直徑納米柱CdS/CdTe 太陽能電池相比較，取得了有顯著提高的結(jié)果。采用Shockley-Queisser 方法計算了雙直徑納米柱結(jié)構(gòu)的電流電壓關(guān)系。通過合理的幾何參數(shù)和材料參數(shù)設(shè)計，效率可達16.45%。

1 器件結(jié)構(gòu)和仿真

圖1 和圖2 顯示了單直徑和雙直徑納米柱結(jié)構(gòu)n-CdS/p-CdTe 太陽能電池的二維截面，該電池使用TCAD 模擬器SILVACO 生成。采用SRH、濃度和場相關(guān)的遷移模型對器件進行了仿真。納米柱CdS/CdTe的仿真涉及漂移-擴散模型，因此采用Newton 迭代的方法，將非線性的問題線性化處理。使用的Cd 和CdTe的摻雜濃度分別為5×1016cm-3和1×1016cm-3，單直徑和雙直徑的摻雜濃度保持一致。CdS 層厚度固定為10 nm。器件仿真中使用的其他參數(shù)均取自文獻[6]。

圖1 單直徑納米柱n-CdS/p-CdTe 太陽能電池的二維截面

圖2 雙直徑納米柱n-CdS/p-CdTe 太陽能電池的二維截面

2 結(jié)果和討論

2.1 電流電壓特性

在仿真中，設(shè)置與雙納米柱結(jié)構(gòu)相同材料及結(jié)構(gòu)厚度的單直徑納米柱太陽能電池，并在器件兩極施加電壓，通過模擬仿真出IV 性曲線等更加直觀地顯示納米柱結(jié)構(gòu)在性能上的優(yōu)劣。

比較了AM1.5 下該器件與單直徑納米柱電池的電流-電壓特性。為了便于比較，如圖3 所示，在兩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谌魏谓o定的陰極電壓下，與傳統(tǒng)單直徑納米柱太陽能電池相比，該器件具有較大的短路電流。短路電流密度的增加是由于雙直徑結(jié)構(gòu)增大了光學(xué)吸收率，從而更有效地加快了光電產(chǎn)生的載流子的采集過程。一般來說，小波長光譜被直徑小、帶隙大的納米柱吸收，而長波長光譜被直徑大、帶隙小的納米柱吸收。雙直徑納米線陣列對太陽光譜的兩個部分都具有高吸收率，平均光學(xué)吸收率超過90%。

圖3 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

2.2 納米柱高度之比的影響

實際上，雙直徑納米柱結(jié)構(gòu)雖然效率很高，但通過優(yōu)化設(shè)置雙直徑部分的上下高度比，仍有進一步改進的空間[7]。為了研究納米柱的幾何結(jié)構(gòu)對器件性能的影響，通過調(diào)整Ltop/L 從0%（僅底部納米柱）到100%（僅底部納米柱），比較了器件中兩種直徑的納米柱高度之比對器件性能參數(shù)的影響[8]。其他參數(shù)參照2.1 節(jié)中的設(shè)計。

圖4-圖7 顯示了納米柱高度之比與開路電壓（Voc）、短路電流（Jsc）、填充因子（FF）和電池轉(zhuǎn)換效率（η）的關(guān)系[9]?？梢钥闯觯?dāng)納米柱高度之比在0～100%之間變化時，器件的性能參數(shù)表現(xiàn)出先上升后下降的特性。當(dāng)保持器件寬度不變時，采用雙直徑結(jié)構(gòu)可以使短路電流密度從20.81 A/cm2提高到27.93 A/cm2，比單直徑結(jié)構(gòu)提高了34.21%。當(dāng)Ltop/L=70%時，η 可達16.45%。這是由于雙直徑納米柱獨特的結(jié)構(gòu)，這種DNPL 陣列可以作為一種高效的寬帶光吸收體來實現(xiàn)較高的內(nèi)部量子效率，由于幾何非對稱性，尤其是對于長波光譜，可以顯著增強吸收。直徑較小的DNPL 陣列的尖端部分具有低反射率，導(dǎo)致有效的光子捕獲和向下傳輸?shù)交?。同時，大直徑的基層材料填充率高，能有效吸收電磁波能量[10]。

圖4 納米柱高度之比對開路電壓（Voc）的影響

圖5 納米柱高度之比對短路電流密度（Jsc）的影響

圖6 納米柱高度之比對填充因子（FF）的影響

圖7 納米柱高度之比對電池轉(zhuǎn)換效率（η）的影響

3 結(jié)論

綜上所述，本文提出了一種形狀可調(diào)的雙直徑納米柱太陽能電池結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)最大的寬帶光子吸收，對于光伏應(yīng)用有良好的發(fā)展前景。本文使用SIVACO TCAD仿真軟件建立了CdS/CdTe 太陽能電池的仿真模型，模擬并分析了單直徑和雙直徑結(jié)構(gòu)納米柱太陽能電池在開路電壓（Voc）、短路電流（Jsc）、填充因子（FF）和電池轉(zhuǎn)換效率（η）的優(yōu)劣。雙直徑納米柱結(jié)構(gòu)因結(jié)構(gòu)特性提高了器件的性能。著重討論分析了納米柱高度之比對器件的影響，在設(shè)計結(jié)構(gòu)時綜合考慮選擇最佳的參數(shù)，以在載流子光產(chǎn)生和電荷收集效率之間取得更好的平衡。仿真結(jié)果表明，雙直徑結(jié)構(gòu)相比對應(yīng)單直徑電池有更佳的性能參數(shù)。研究結(jié)果還表明，當(dāng)上下納米柱直徑達到一定比例時，可以實現(xiàn)設(shè)備的最優(yōu)性能。通過優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)，可使短路電流密度提高約34.21%，當(dāng)Ltop/L=70%時，η 可達16.45%。這種雙直徑DNPL 陣列結(jié)構(gòu)為提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提供了一條很有前景的方法。