太阳电池模拟(120427)

RAYN、SUNRAYS、RaySim光学模拟
由Fraunhofer ISE, ISFH 和UNSW等研究机构开发的基于蒙特卡罗方法及Ray Tracing方法的光学模拟软件 。 利用计算机，随机产生大量光束，并利用Ray tracing方法计算每一光束在太阳电池中的反射、折射和吸收 。 依据规律和统计理论模拟计算太阳电池在真实环境中的光学特性。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行
之有效的工程分析手段。
SYNOPSYS软件
用于太阳电池三维器件模拟的SYNOPSYS软件采用有限元分析方法，把复杂的太阳电池结构划分为有限的网 格。 定义每个网格节点（node）的材料和物理特性，如材料类型、掺杂浓度等。 电极被定义外具有一定边界调节的节点。这里边界调节一般为电极的电压。 根据边界调节解各个节点的半导体方程——电子、空穴连续性方程以及泊松（Possion）方程，可以得到该 节点的特性，如载流子浓度、电流密度、电场、载流子产生和复合几率等。
前言
要模拟太阳电池、组件的特性，主要需要了解以下问题：
Delighting The Future
载流子的产生（光的吸收） —— 采用 Ray tracing 方法的光学模拟 载流子的扩散、迁移以及复合 —— PC1D一维模拟，SYNOPSYS三维模拟 载流子传输过程中的阻力（电阻）—— 分析模型，SPICE电路模拟
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概要
光学模拟 —— Ray tracing 方法介绍
三维器件模拟 —— SYNOPSYS介绍 电路模拟 —— SPICE模拟方法介绍
Delighting The Future
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三维器件模拟介绍
Meshing
Mesh的好坏对模拟结果影响很大。 在界面或其它 物理性质或材料性质发生剧烈 变化的地方，mesh的密度要足够大。
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光学模拟介绍
模拟结果示例
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光学模拟介绍
反射及全反射
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光学模拟介绍
除复折射率外，光学模拟还需要建立
背模拟对象的模型。 对于太阳电池的光学模拟而言， 需要在模型里体现太阳电池的 衬底厚度、正/反面绒面状况（ 绒面大小、绒面覆盖率、正反表 面粗糙度）、正/反面镀膜情况 （膜系、膜厚、膜的折射率）等 等。
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光学模拟介绍
反射
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泊松方程 电子连续性方程 空穴连续性方程
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三维器件模拟介绍
Meshing
Delighting The Future
Node
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光学模拟介绍
7
Delighting The Future
硅的全光谱折射率、消光系数以吸收吸收
n k

1.5M 1.0M 2.5M 2.0M
cm
wk.baidu.com
各材料的光学特性由材料
n,k
6 5 4 3 2 1 0
1.0M
而太阳光由具有不同能量 （对应不同波长）的光子 所组成。 因此，光学模拟需要得到 各材料的全光谱（250 nm
光学模拟介绍
Delighting The Future
为减少建模和计算的工作量，一般只用太阳电池的一个重复单元来进行模拟计算。
光线在重复单元里的传输轨迹如右图所示（A -> B (B’) -> C -> D (D’) -> E -> F -> G (G’)
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光学模拟介绍
干涉（减反膜的工作原理）
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三维器件模拟介绍
有限元分析：

Delighting The Future
有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子 域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平 衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。
cm
的复折射率决定
7 6 5 4 3 2 1 0
2.5M
n k

2.0M 1.5M
-1
-1
n&k
光学模拟介绍
折射
Delighting The Future
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500.0k 0.0
500.0k 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
m
1
2
3
4
5
Photon energy (eV)
太阳光谱
到 1200nm）复折射率。
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三维器件模拟介绍
建模
选择太阳电池中具有代表性的一个单元
Delighting The Future
建立该单元的模型，包括结构、材料、掺杂、少子寿命、光生载流子产生几率等 定义物理模型（如表面复合模型、能带变窄模型等） 定义数学计算方法（迭代算法等）
Delighting The Future
太阳电池模拟简介
研发中心 杨灼坚 2012-04-27
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光学模拟介绍
蒙特卡罗方法：

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蒙特卡罗方法又称统计模拟法、随机抽样技术，是一种随机模拟方法，以概率和统计理论方法为基础的一 种计算方法，是使用随机数（或更常见的伪随机数）来解决很多计算问题的方法。将所求解的问题同一定 的概率模型相联系，用电子计算机实现统计模拟或抽样，以获得问题的近似解。
Ray Tracing方法：
依据几何光学原理，跟踪一束光线在太阳电池内的传输轨迹。 在每个界面处，依据界面两侧材料的光学特性以及光线的偏振特性，计算该光线的反射、折射和吸收。 在每个材料的体内，计算光线沿传输路径方向能量被吸收的大小。 如此，可以知道该光线在电池不同区域被反射、折射和吸收的几率。