基于双直径纳米柱的CdS/CdTe 太阳能电池仿真

戴万玲，王钰妍

（上海电力大学，上海 200000）

纳米柱型太阳能电池通过有效收集产生的载流子，提高器件参数，如开路电压（Voc）、短路电流（Jsc）、填充因子（FF）和电池转换效率（η）等。而太阳能电池的性能通常受到材料的吸收系数、材料的厚度、材料的类型及其结构和工作温度的影响。在各种成本较低的能量转换材料中，基于CdS/CdTe 的太阳能电池无论从能量转换效率还是成本上都显示出了巨大的优势。这是由于其与其他化合物薄膜电池相比具有以下特点：（1）CdTe 的禁带宽度（约1.45 eV）与太阳能光谱相匹配，高于硅材料100 倍的吸收系数等材料特性，适合制备高效薄膜太阳电池，其理论转换转化率高达29%[1]；（2）CdTe 相比硅材料具有功率温度系数低和弱光效应好等特性，更适于沙漠、高温等复杂的地理环境，以及在清晨、阴天等弱光环境下也能发电；（3）CdTe 属于简单的二元化合物，易生成单相材料，已有多种技术可制备10%以上的CdTe 小面积电池，具有沉积速率高、原材料利用率高及生产成本低，以及所制备的膜质好、晶粒大等优点，应用最为广泛，可实现规模化生产[2]。

尽管如此，现有的CdS/CdTe 太阳能电池的效率仍然低于其预测的理论最高效率（29%）。为了进一步提高太阳能电池的性能，研究人员进行了大量的实验、器件仿真和理论研究[3-4]。

本文研究的是一种基于现有的单直径纳米柱结构进行改进的双直径纳米柱太阳能电池。该结构利用具有小纳米柱的顶层来提高对太阳光入射的吸收。在本文中，利用器件模拟器TCAD SILVACO 对上述的双直径纳米柱CdS/CdTe 太阳能电池进行了器件模拟[5]。器件的阳极和阴极都使用了金触点，在AM1.5 条件下进行仿真建模，提取了器件的伏安特性以及上述的其他参数，并与它的等效单直径纳米柱CdS/CdTe 太阳能电池相比较，取得了有显著提高的结果。采用Shockley-Queisser 方法计算了双直径纳米柱结构的电流电压关系。通过合理的几何参数和材料参数设计，效率可达16.45%。

1 器件结构和仿真

图1 和图2 显示了单直径和双直径纳米柱结构n-CdS/p-CdTe 太阳能电池的二维截面，该电池使用TCAD 模拟器SILVACO 生成。采用SRH、浓度和场相关的迁移模型对器件进行了仿真。纳米柱CdS/CdTe的仿真涉及漂移-扩散模型，因此采用Newton 迭代的方法，将非线性的问题线性化处理。使用的Cd 和CdTe的掺杂浓度分别为5×1016cm-3和1×1016cm-3，单直径和双直径的掺杂浓度保持一致。CdS 层厚度固定为10 nm。器件仿真中使用的其他参数均取自文献[6]。

图1 单直径纳米柱n-CdS/p-CdTe 太阳能电池的二维截面

图2 双直径纳米柱n-CdS/p-CdTe 太阳能电池的二维截面

2 结果和讨论

2.1 电流电压特性

在仿真中，设置与双纳米柱结构相同材料及结构厚度的单直径纳米柱太阳能电池，并在器件两极施加电压，通过模拟仿真出IV 性曲线等更加直观地显示纳米柱结构在性能上的优劣。

比较了AM1.5 下该器件与单直径纳米柱电池的电流-电压特性。为了便于比较，如图3 所示，在两种器件中均使用了高度为400 nm 的纳米柱，并保持器件宽度相同。可以看出，在任何给定的阴极电压下，与传统单直径纳米柱太阳能电池相比，该器件具有较大的短路电流。短路电流密度的增加是由于双直径结构增大了光学吸收率，从而更有效地加快了光电产生的载流子的采集过程。一般来说，小波长光谱被直径小、带隙大的纳米柱吸收，而长波长光谱被直径大、带隙小的纳米柱吸收。双直径纳米线阵列对太阳光谱的两个部分都具有高吸收率，平均光学吸收率超过90%。

图3 单直径纳米柱和双直径纳米柱CdS/CdTe 电池的电流电压特性比较

2.2 纳米柱高度之比的影响

实际上，双直径纳米柱结构虽然效率很高，但通过优化设置双直径部分的上下高度比，仍有进一步改进的空间[7]。为了研究纳米柱的几何结构对器件性能的影响，通过调整Ltop/L 从0%（仅底部纳米柱）到100%（仅底部纳米柱），比较了器件中两种直径的纳米柱高度之比对器件性能参数的影响[8]。其他参数参照2.1 节中的设计。

图4-图7 显示了纳米柱高度之比与开路电压（Voc）、短路电流（Jsc）、填充因子（FF）和电池转换效率（η）的关系[9]。可以看出，当纳米柱高度之比在0～100%之间变化时，器件的性能参数表现出先上升后下降的特性。当保持器件宽度不变时，采用双直径结构可以使短路电流密度从20.81 A/cm2提高到27.93 A/cm2，比单直径结构提高了34.21%。当Ltop/L=70%时，η 可达16.45%。这是由于双直径纳米柱独特的结构，这种DNPL 阵列可以作为一种高效的宽带光吸收体来实现较高的内部量子效率，由于几何非对称性，尤其是对于长波光谱，可以显著增强吸收。直径较小的DNPL 阵列的尖端部分具有低反射率，导致有效的光子捕获和向下传输到基底。同时，大直径的基层材料填充率高，能有效吸收电磁波能量[10]。

图4 纳米柱高度之比对开路电压（Voc）的影响

图5 纳米柱高度之比对短路电流密度（Jsc）的影响

图6 纳米柱高度之比对填充因子（FF）的影响

图7 纳米柱高度之比对电池转换效率（η）的影响

3 结论

综上所述，本文提出了一种形状可调的双直径纳米柱太阳能电池结构，实现最大的宽带光子吸收，对于光伏应用有良好的发展前景。本文使用SIVACO TCAD仿真软件建立了CdS/CdTe 太阳能电池的仿真模型，模拟并分析了单直径和双直径结构纳米柱太阳能电池在开路电压（Voc）、短路电流（Jsc）、填充因子（FF）和电池转换效率（η）的优劣。双直径纳米柱结构因结构特性提高了器件的性能。着重讨论分析了纳米柱高度之比对器件的影响，在设计结构时综合考虑选择最佳的参数，以在载流子光产生和电荷收集效率之间取得更好的平衡。仿真结果表明，双直径结构相比对应单直径电池有更佳的性能参数。研究结果还表明，当上下纳米柱直径达到一定比例时，可以实现设备的最优性能。通过优化几何结构，可使短路电流密度提高约34.21%，当Ltop/L=70%时，η 可达16.45%。这种双直径DNPL 阵列结构为提高太阳能电池的转换效率提供了一条很有前景的方法。