用于提高太陽能電池效率的雙直徑納米柱結構

戴萬玲，王鈺妍

（上海電力大學，上海 200120）

為了利用并實現光伏技術的突破，人們不斷努力以降低生產成本，并提高太陽能電池的轉換效率。在這方面已經取得了廣泛的進展，通過改變器件結構、使用不同的電極材料并利用捕獲和散射等方法提高光的吸收來提高性能[1]。而CdS和CdTe的特性有利于實現低成本的高效太陽能電池，因此，基于CdS/CdTe的太陽能電池是目前最有前途的薄膜太陽能電池技術。納米柱陣列也被認為是光伏應用的理想結構，該結構提供了電荷傳輸的直接途徑[2]。研究納米柱太陽能電池可以提高對納米柱內部載流子傳輸機制的理解，有助于研究者了解整體器件性能，并允許研究者修改納米柱中的幾何結構。用于太陽能電池的納米柱陣列通常是具有突變結（便于電荷分離）的垂直納米柱。這些納米柱具有與基本固態現象特征尺度相當的尺寸，并對載流子有潛在的二維半量子限制。垂直納米柱陣列可以增強光吸收并提高電荷分離和收集效率。本文提出了一種新型雙直徑結構的CdS/CdTe太陽能電池結構，其小直徑納米柱部分具有最小的反射率，大直徑部分則具有最大的有效吸收系數，因此增強了光吸收、載流子生成和收集，并使用SILVACOTCAD仿真工具對該結構進行了模擬。器件仿真的結果證明了該結構在提高載流子收集效率和太陽能電池性能參數方面具有潛力。

1 器件結構和仿真

圖1（a）和圖1（b）分別是傳統單直徑納米柱結構和基于雙直徑納米柱結構的n-CdS/p-CdTe太陽能電池的二維截面。該結構可以用上納米柱高度（Ltop）、納米柱高度（L）、上納米柱寬度（Dtop）、納米柱寬度（D）來表征。通過調整幾何參數，可以定制雙直徑納米柱的結構來劃分吸收光譜[3]。一般來說，小波長光譜被直徑小、帶隙大的納米柱部分吸收，而長波長光譜被直徑大、帶隙小的納米柱吸收。雙直徑納米柱陣列對太陽光譜的2個部分都具有高吸收率，平均光學吸收率超過90%[4]。

圖1 n-CdS/p-CdTe太陽能電池的二維截面

2 仿真結果和討論

使用SILVACO TCAD軟件對單直徑和雙直徑的CdS/CdTe太陽能電池的器件結構建模和仿真計算。相關研究表明，納米柱結構的光吸收與其形狀、結構等因素密切相關，故本文將圍繞太陽能電池的幾何結構參數（高度、直徑）對太陽能電池性能參數的影響進行研究，以得出最優的結構參數。

本文在器件仿真時，考慮了影響器件運行的各種物理模型，例如濃度和場依賴遷移率模型以及Shockley-Read-Hall復合等。有關所用模型和方法的詳細說明，請參見Atlas手冊[5]。用于單直徑和雙直徑納米柱結果的CdS/CdTe太陽能電池中的CdS和CdTe的摻雜濃度分別為5×16 cm-3和1×16 cm-3，電極的接觸材料為金（Au）。上述參數在2個器件中保持相同。設器件仿真中使用的所有參數的詳細值取自參考文獻[6]，并匯總在表1中。

表1 器件仿真中使用的參數

2.1 光照下的電流電壓特性

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如圖2所示。

圖2 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

由圖2可知，在AM1.5照明條件下，本文所設計的雙直徑納米柱結構及其傳統單直徑納米柱結構（Dtop/D=100%）太陽能電池的模擬電流電壓特性。在2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?，與單直徑納米柱結構相比，該器件在任何外加陰極電壓下都表現出更高的陰極電流密度。

研究表明，通過2個直徑不同的圓柱體形成納米柱，可見光譜的光吸收率得到了增強[7]。光學濃度效應的本質可以解釋為色散光學模的疊加，它是單直徑納米柱陣列中光吸收增強的主要因素。它們的色散和重疊因子強烈依賴于幾何形狀[8]。在雙直徑納米柱結構中，研究者能夠定制太陽能電池的幾何結構，使短波長光譜和長波長光譜集中在不同的納米柱內，以提供高光吸收率，從而提高太陽能電池的轉換效率。

2.2 納米柱高度之比的影響

納米柱高度之比對短路電流密度（Jsc）、開路電壓（Voc）、填充因子（FF）、電池轉換效率（η）的影響如圖3所示。所有這些器件參數都是從AM1.5照明下太陽能電池的電流電壓特性中提取出來的。保持納米柱寬度不變，納米柱高度之比從0增加到100%。由圖3可知，Jsc、Voc、FF、η隨納米管高度之比的增加先增大后減小。

圖3 納米柱高度之比對短路電流密度（J sc）、開路電壓（V oc）、填充因子（FF）、電池轉換效率（η）的影響

2.3 納米柱寬度之比的影響

由上一節的研究可得，在納米柱高度之比大于70%以后，納米柱太陽能電池的光電轉換效率有下降的趨勢，所以在本節中選取納米柱高度之比固定為70%，納米柱寬度之比從0增加到100%。納米柱寬度之比對器件短路電流密度（Jsc）、開路電壓（Voc）、填充因子（FF）、電池轉換效率（η）影響如圖4所示。由圖4可知，在給定的器件區域內，保持納米柱高度之比不變，隨著納米柱寬度之比的增加，器件參數先增大再減小?？梢钥闯?，與單直徑納米柱結構的n-CdS/p-CdTe太陽能電池相比，雙直徑結構器件的Jsc、Voc、FF和η值都有所提高。當Ltop/L的值為0.5時，納米柱的光電轉換效率最高，為19.72%，短路電流密度為30.24A/cm2。

圖4 納米柱寬度之比對短路電流密度（J sc）、開路電壓（V oc）、填充因子（FF）、電池轉換效率（η）的影響

3 結論

本文對一種新型的雙直徑納米柱結構的CdS/CdTe太陽能電池進行了器件仿真，以在載流子的光生和電荷收集效率之間獲得更好的平衡。詳細的器件仿真結果表明，隨著不同直徑部分納米柱高度之比或寬度之比的增加，器件性能有所提高。然而，對于給定的器件寬度或高度，太陽能電池的性能參數首先增加到最大值，然后開始減小。理想雙結吸收體的Shockley-Queisser極限約為44%[9]，這意味著該結構仍有一些改進空間。這種雙直徑DNPL陣列結構為提高太陽能電池的轉換效率提供了一個很有前景的方法，這種結構可以進一步發展為多直徑納米柱陣列。通過在空間和光譜上調整結構以適應吸收光譜分離的不同要求，它可以應用于多結太陽能電池的設計中。