基于時域有限差分法光學(xué)設(shè)計電介質(zhì)納米球薄膜鈣鈦礦光伏電池

王富強, 梁華旭,, 林 波, 程子明,, 史緒航,, 陳智超

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)新能源學(xué)院,山東威海 264209; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150001)

人類社會正面臨能源需求的挑戰(zhàn),因此有必要開發(fā)多種可再生能源[1-6]。太陽能是可再生能源的重要組成部分[7-10]。太陽能光伏發(fā)電是一種清潔能源技術(shù),有助于緩解全球氣候變暖[11-17]。薄膜鈣鈦礦光伏電池因其成本低,厚度薄,重量輕和柔性好的特點,所以可以靈活地適用于各種場合[18]。近年來,國內(nèi)外研究人員提出的各種紋理化技術(shù)將垂直入射光散射成斜入射光來提高光在光伏電池中傳播的光程長度,進而提高光伏電池的光吸收率[19-20]。但是這些紋理化技術(shù)面臨著提高光吸收率是以犧牲電性能為代價的難題。紋理化技術(shù)因為需要對鈣鈦礦材料表面進行微尺度加工,破壞了鈣鈦礦材料的完整性,所以這反過來會降低光伏電池的光生電流,增加電荷載流子的復(fù)合和捕獲。筆者為了避免光學(xué)收益和電性能惡化之間的矛盾,采用電磁理論設(shè)計一種電介質(zhì)納米球,增強入射太陽光耦合進入到鈣鈦礦吸收層的能力,提高鈣鈦礦光伏電池的光吸收率。電介質(zhì)納米球不需要對鈣鈦礦吸收層進行微納加工,因而不會增加電荷載流子的復(fù)合和捕獲。分析電介質(zhì)納米球的位置、半徑和填充率對鈣鈦礦光伏電池的光吸收率和光生電流的影響規(guī)律。

1 模擬方法

構(gòu)建的電介質(zhì)納米球提升鈣鈦礦光伏電池的光吸收率模型如圖1所示。圖1(a)為典型的平板型鈣鈦礦光伏電池,圖1(b)、(c)和(d)分別為前置位、后置位和前后雙置位電介質(zhì)納米球提升鈣鈦礦光伏電池的光吸收率模型。電介質(zhì)納米球是六邊形排列于ITO層之上,或者是六邊形排列于HTM層之下,避免了與鈣鈦礦層之間的相互接觸,因而不會增加鈣鈦礦層的面積和缺陷數(shù)量。電介質(zhì)納米球與球之間的距離用無量綱數(shù)填充率P表示為

P=L/2r.

(1)

式中,L為電介質(zhì)納米球心之間距離,mm;r為電介質(zhì)納米球半徑,mm。

電介質(zhì)納米球提升鈣鈦礦光伏電池的光吸收率效果主要受其前后位置、半徑和填充率的影響。電介質(zhì)納米球的尺度與入射光的尺度在一個數(shù)量級,兩者之間的相互作用非常復(fù)雜。因此,基于基本電磁理論采用FDTD求解麥克斯韋方程組的方法確定鈣鈦礦光伏電池的電場和光吸收場的分布。

由于電介質(zhì)納米球是正六邊形周期性排列,因此,FDTD數(shù)值模擬了一個周期內(nèi)的電場分布。周期內(nèi)每一個單位體積吸收的相應(yīng)功率[20]Pabs(m-3)為

(2)

式中,ω為角頻率,rad/s;ε″為介電函數(shù)的虛部。

Pabs(m-3)經(jīng)過了入射光源歸一化。對Pabs進行體積分,可以計算出特定波長(λ)光的吸收率,表示為

(3)

由于是光學(xué)模擬,所以假設(shè)所有被吸收的光子都可以產(chǎn)生電荷載流子。光生電流計算為

(4)

式中,e為電子電荷,C;h為普朗克常數(shù);c為自由空間中的光速,m/s。

圖1 電介質(zhì)納米球提升鈣鈦礦光伏電池的 光吸收率模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of dielectric nanospheres enhancing spectral absorption of perovskite photovoltaic cells

2 模型驗證

3 結(jié)果與討論

3.1 電介質(zhì)納米球位置對鈣鈦礦光伏電池性能影響

圖3、4分別為不同類型鈣鈦礦光伏電池的光生電流和光譜吸收率。如圖3所示,平板型鈣鈦礦光伏電池的光生電流為22.2 mA/cm2,前置、后置和前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光生電流分別為24.8、23.2和25.5 mA/cm2。前置、后置和前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光生電流明顯高于平板型光生電流,其原因是前置、后置和前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率高于平板型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率。

圖2 采用FDTD和傳輸矩陣法計算的鈣鈦礦層的光譜反射率、透射率對比Fig.2 Comparison of spectral reflectance and spectral absorptivity of perovskite layer calculated by FDTD and transfer matrix method

圖3 不同類型鈣鈦礦光伏電池的光生電流Fig.3 Photocurrent of different kinds of perovskite photovoltaic cells

如圖4所示,前置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率在400～620 nm和700～1 000 nm波段明顯高于平板型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率。后置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率在700～780 nm和850～1 000 nm明顯高于平板型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率。前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率在400～620 nm和680～1 000 nm波段明顯高于平板型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率。后置電介質(zhì)納米球可以提高鈣鈦礦光伏電池在近紅外波段的光譜吸收率,而前置電介質(zhì)納米球和前后雙置電介質(zhì)納米球均可提高鈣鈦礦光伏電池在可見光以及近紅外波段的光譜吸收率。前后雙置電介質(zhì)納米球提高鈣鈦礦光伏電池在可見光以及近紅外波段的光譜吸收能力要比前置電介質(zhì)納米球強。前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光生電流要比前置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光生電流高約3%。

圖4 不同類型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率Fig.4 Spectral absorption of different kinds of perovskite photovoltaic cells

3.2 電介質(zhì)納米球半徑對鈣鈦礦光伏電池性能影響

前后雙置電介質(zhì)納米球半徑對鈣鈦礦光伏電池的光生電流影響見圖5。

如圖5所示,半徑分別為0.25、0.3、0.35、0.4和0.45 μm的前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光生電流分別為23.7、24.6、25.5、24.2和23.8 mA/cm2。半徑為0.3 μm的前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光生電流要比半徑為0.25、0.3、0.4和0.45 μm的光生電流高7.6%、3.6%、5.4%和7.1%。這是因為不同半徑的前后雙置電介質(zhì)納米球?qū)︹}鈦礦光伏電池光譜吸收率的增強能力不同。

圖5 前后雙置電介質(zhì)納米球半徑對鈣鈦 礦光伏電池光生電流影響Fig.5 Effect of radius on photocurrent of perovskite photovoltaic cells with front-located and rear-located dielectric nanosphere

圖6為前后雙置電介質(zhì)納米球半徑對鈣鈦礦光伏電池光譜吸收率影響。由圖6可知,在400～620 nm波段,不同半徑的前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率一致。然而,在620～1 000 nm波段,5種半徑的前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率表現(xiàn)出明顯的差異。這種明顯的差異主要體現(xiàn)在620～750 nm和800～1 000 nm。半徑為0.3、0.35和0.4 μm前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池在800～1 000 nm的光譜吸收率要高于半徑為0.25和0.45 μm的光譜吸收率。在620～750 nm波段,半徑為0.35 μm的前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率明顯要高于半徑為0.3和0.4 μm前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率。

圖6 前后雙置電介質(zhì)納米球半徑對鈣鈦礦光伏 電池光譜吸收率影響Fig.6 Effect of radius on spectral absorption of perovskite photovoltaic cells with front-located and rear-located dielectric nanosphere

3.3 電介質(zhì)納米球填充率對鈣鈦礦光伏電池性能影響

圖7為前后雙置電介質(zhì)納米球填充率對鈣鈦礦光伏電池光生電流的影響。由圖7可知,填充率分別為1、1.1、1.2、1.3和1.4的前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光生電流分別為24.2、24.9、25.5、25.5和24 mA/cm2。填充率為1.2和1.3的前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光生電流相同。填充率為1.2和1.3的前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光生電流要比填充率為1、1.1和1.4的光生電流高4.5%、2.4%和6.3%。這是因為不同填充率的前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率不同。

圖7 前后雙置電介質(zhì)納米球填充率對鈣鈦礦 光伏電池光生電流影響Fig.7 Effect of filling factor on photocurrent of perovskite photovoltaic cells with front-located and rear-located dielectric nanosphere

圖8為前后雙置電介質(zhì)納米球填充率對鈣鈦礦

圖8 前后雙置電介質(zhì)納米球填充率對鈣鈦礦 光伏電池光譜吸收率影響Fig.8 Effect of filling factor on spectral absorption of perovskite photovoltaic cells with front-located and rear-located dielectric nanosphere

光伏電池光譜吸收率影響。由圖8可知,不同填充率的前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率在650～1 000 nm波段表現(xiàn)出明顯差異。填充率分別為1和1.4的前后雙置電介質(zhì)納米球型鈣鈦礦光伏電池的光譜吸收率明顯低于填充率分別為1.1、1.2和1.3的光譜吸收率。

4 結(jié) 論

(1)前置、后置、前后雙置電介質(zhì)納米球均可以提高鈣鈦礦光伏電池的光生電流和光譜吸收率。

(2)前后雙置電介質(zhì)納米球可以將平板型鈣鈦礦光伏電池的光生電流提高14.8%。

(3)半徑分別為0.25、0.3、0.35、0.4和0.45 μm的前后雙置電介質(zhì)納米球?qū)︹}鈦礦光伏電池光譜吸收率的影響主要體現(xiàn)在620～750 nm和800～1 000 nm波段。

(4)填充率分別為1、1.1、1.2、1.3和1.4的前后雙置電介質(zhì)納米球?qū)︹}鈦礦光伏電池的光譜吸收率的影響主要體現(xiàn)在650～1 000 nm波段。