太陽能電池仿真研究可為光伏產品的研發節約成本，縮短研發周期，并預測產品光電轉換效率與光電輸出特性。目前各大高校與科研機構在太陽能電池仿真領域主要運用的商業軟件有COMSOL多物理場耦合軟件、AFORS-HET、Rsoft以及Silvaco等。本案以Lumerical 軟件為例，介紹利用FDTD與DEVICE模塊實現可見光波段典型硅光太陽能電池的光電特性仿真。

1、 構建光學吸收模型

建立合適的邊界條件和光源設置，搭建典型的硅平板太陽能電池結構在正向太陽光的照射下光吸收模型。

二、計算載流子產生率G

FDTD模塊可以利用上述物理學公式，腳本編程計算出電池內部空間分布的載流子產生率。

載流子產生率在平板電池中表現為上層值較大，底部值較小，說明入射光大部分被電池上層吸收，能夠穿透電池到達電池底部被半導體耦合吸收的入射光是極少數。

三、搭建電學仿真模型

DEVICE模塊為后續電學仿真提供了高效快捷的電學特性計算途徑。在電學仿真模塊中需要考慮電池窗口層材料，金屬電極材料，歐姆接觸，摻雜與復合等因素。

通過優化電池電學參數可以有效提高電池的光電轉換效率。但是考慮到電池實際處于的物理環境，電學仿真比純光學仿真計算結果更加接近實際的電池工作效率。

4、 導入載流子產生率至電學模塊

載流子產生率是連接電池光學模塊和電學模塊的橋梁。將波長積分計算得到的載流子產生率導入DEVICE模塊可以繼續仿真計算電池電學特性。

DEVICE模塊為用戶提供了友好方便的載流子產生率導入界面，用戶可以使用FDTD模塊計算得出的G數據集載入控件窗口，并可以針對偏振光或非偏振光設置修正系數。

5、 掃描負載電壓計算電流響應

對于太陽能電池，短路電流和開路電壓是衡量其光電轉換效率的直接指標。除此之外，可以通過進一步計算得出電池的功率-電壓曲線，得出電池的最大功率工作點，這對電池的使用場景極為重要。

用戶在估測電池的開路電壓范圍的基礎上確定需要計算的負載電壓范圍，實現電流-電壓一一對應的曲線結果計算。

注意掃描計算電壓取樣點越多，電流-電壓曲線越精細平滑。

6、 輸出與分析電學特性

在理想狀況下的電學模擬計算的理想短路電流（12.154 mA/cm^2）較光學模擬計算結果（13.8687 mA/cm^2）稍低（~12%），這是因為在模擬光學過程時并沒有考慮電極區域存在的陰影效應（shadow effect，電極阻擋了部分入射光進入電池），而模擬電學過程中必須加上電極。電學模擬從側面反映了電池中光生載流子的分離效率。

7、 電學因素分析

除了電池的伏安特性曲線和功率曲線可以計算以外，DEVICE模塊也為用戶提供了強大的其他電學因素計算分析。上圖展示了電池在光照條件下的電勢分布。此外，比如摻雜分布、載流子遷移速率、擴散長度、復合速率、熱效應等都可以通過相關控件實現仿真模擬。通過優化上述電學參數等可為光伏產品工作者提供方便快捷高效的研發預演和結構設計評估。

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