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微纳光伏器件光电热耦合仿真技术新突破

近年来,新结构、新机制和新材料体系在微纳光伏领域不断涌现。为提高研究效率,快速锁定高效、稳定的光电转换设计方案,指导器件的制备和开发,基于多物理场耦合的光伏器件仿真与性能预测技术正发挥着越来越重要的作用。然而,当前光伏器件的设计大多仍停留在基于陷光理论的纯光学预测或低维载流子动力学分析层面,难以用于分析具备三维强空间特征和多物理场耦合的新型微纳光伏器件。此外,光伏器件涉及的不仅仅是单纯的光学吸收或光电耦合问题,而是光学、电学和热力学三个物理场强耦合的问题。只有彻底的在光学、电学和热力学层面把握光伏器件的内在光电转换、光热转换、热电转换机理,才能更深入了解光伏器件能量转换与守恒的本质,从而更为有效地设计高转化效率光伏器件。


最近,苏州大学光电信息科学与工程学院李孝峰教授(点击查看介绍)带领博士生尚爱雪深入研究了光伏器件中的光电热转换问题,利用有限元方法成功实现了光伏器件的光电热多物理耦合仿真。在光伏系统中,除了光学反射、透射和光功率转换成电能以外,绝大部分能量通过不同的物理过程转化成热(如高能光子注入引起的热化、载流子在光伏器件中的输运、体载流子复合、界面/表面载流子复合、Peltier热等),并以热的形式进行传导和扩散。李孝峰团队以砷化镓太阳电池为例,全面分析了太阳能电池工作的整个光学、电学和热力学过程,该成果发表在材料领域顶级期刊Advanced Materials 上。


图1为普通GaAs太阳电池系统中的能量密度详细量化分布图。在总功率密度为1 kW/m2的AM1.5太阳光照下,器件的热化、表面反射、光学透射、减反射层吸收、焦耳热、非辐射复合、辐射复合、Peltier热以及电学输出对应的功率分布均被详细算出。除此之外,经光电热耦合仿真,不同物理过程分配的功率密度之和与输入功率严格匹配,印证了计算的守恒性。这是首次关于光伏系统中能量密度详细分布的理论报道。

图1.砷化镓太阳电池中的能量密度分布。图片来源:Advanced Materials


图2是器件光电流密度和上下表面复合、体复合损失等效的电流密度随正向偏置电压的变化曲线。在增加偏置电压的过程中,可以观测到不同复合对暗电流的贡献,进而帮助科学家们有针对地进行器件优化,抑制暗电流并提高开路电压和光电转换效率。

图2.砷化镓太阳电池中不同成分的电流和偏置电压的关系。图片来源:Advanced Materials


作者通过对光伏器件的光电热分析,得到光伏系统中的热源分布,并将热源耦合到热传导方程,得到对流、辐射降温功率密度以及电池温度变化与偏置电压的关系。在光电热耦合仿真下,热对流和热辐射消耗的功率以及器件的稳态温度随正向偏置电压的变化曲线分别如图3a和3b。可以看到,在最佳工作电压(最大输出功率)下,器件通过热辐射和热对流造成的功率损失最低,以电的形式输出功率最高,因而器件温度处于最低值。

图3. 砷化镓太阳电池中热力学问题分析。(a)对流降温、辐射降温与偏置电以及(b)电池温度变化与偏置电压的关系。图片来源:Advanced Materials


光伏器件光电热仿真的意义在于:

1)揭示了光伏器件中光电、光热和热电物理问题;

2)量化了光伏器件中各种成分的电流和能量损耗,为光伏器件设计提供指导;

3)模型可用于分析光伏器件热力学平衡、温度分布等系列问题;

4)可对范围更广的光电热器件进行基础研究和器件设计。


该论文作者为:Aixue Shang and Xiaofeng Li

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Photovoltaic Devices: Opto-Electro-Thermal Physics and Modeling

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201603492


李孝峰教授简介


李孝峰,男,教授,博士生导师,苏州大学光电信息科学与工程学院副院长,中组部第三批青年千人、江苏省双创、江苏省333等高层次人才计划入选者。曾获四川省优秀博士论文和全国百篇优秀博士论文提名,在新加坡南洋理工大学和伦敦帝国理工学院工作5年,2012年1月入职苏州大学,已累计发表SCI期刊论文98篇。现担任OSA Applied Optics IEEE Photonics Journal的期刊Associate Editor,Scientific Reports期刊编委。研究方向:1)微纳光伏器件陷光与光电转换、2)热电子光电转换、3)微纳光学。


http://www.x-mol.com/university/faculty/38323


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