用于提高太阳能电池效率的双直径纳米柱结构

戴万玲，王钰妍

（上海电力大学，上海 200120）

为了利用并实现光伏技术的突破，人们不断努力以降低生产成本，并提高太阳能电池的转换效率。在这方面已经取得了广泛的进展，通过改变器件结构、使用不同的电极材料并利用捕获和散射等方法提高光的吸收来提高性能[1]。而CdS和CdTe的特性有利于实现低成本的高效太阳能电池，因此，基于CdS/CdTe的太阳能电池是目前最有前途的薄膜太阳能电池技术。纳米柱阵列也被认为是光伏应用的理想结构，该结构提供了电荷传输的直接途径[2]。研究纳米柱太阳能电池可以提高对纳米柱内部载流子传输机制的理解，有助于研究者了解整体器件性能，并允许研究者修改纳米柱中的几何结构。用于太阳能电池的纳米柱阵列通常是具有突变结（便于电荷分离）的垂直纳米柱。这些纳米柱具有与基本固态现象特征尺度相当的尺寸，并对载流子有潜在的二维半量子限制。垂直纳米柱阵列可以增强光吸收并提高电荷分离和收集效率。本文提出了一种新型双直径结构的CdS/CdTe太阳能电池结构，其小直径纳米柱部分具有最小的反射率，大直径部分则具有最大的有效吸收系数，因此增强了光吸收、载流子生成和收集，并使用SILVACOTCAD仿真工具对该结构进行了模拟。器件仿真的结果证明了该结构在提高载流子收集效率和太阳能电池性能参数方面具有潜力。

1 器件结构和仿真

图1（a）和图1（b）分别是传统单直径纳米柱结构和基于双直径纳米柱结构的n-CdS/p-CdTe太阳能电池的二维截面。该结构可以用上纳米柱高度（Ltop）、纳米柱高度（L）、上纳米柱宽度（Dtop）、纳米柱宽度（D）来表征。通过调整几何参数，可以定制双直径纳米柱的结构来划分吸收光谱[3]。一般来说，小波长光谱被直径小、带隙大的纳米柱部分吸收，而长波长光谱被直径大、带隙小的纳米柱吸收。双直径纳米柱阵列对太阳光谱的2个部分都具有高吸收率，平均光学吸收率超过90%[4]。

图1 n-CdS/p-CdTe太阳能电池的二维截面

2 仿真结果和讨论

使用SILVACO TCAD软件对单直径和双直径的CdS/CdTe太阳能电池的器件结构建模和仿真计算。相关研究表明，纳米柱结构的光吸收与其形状、结构等因素密切相关，故本文将围绕太阳能电池的几何结构参数（高度、直径）对太阳能电池性能参数的影响进行研究，以得出最优的结构参数。

本文在器件仿真时，考虑了影响器件运行的各种物理模型，例如浓度和场依赖迁移率模型以及Shockley-Read-Hall复合等。有关所用模型和方法的详细说明，请参见Atlas手册[5]。用于单直径和双直径纳米柱结果的CdS/CdTe太阳能电池中的CdS和CdTe的掺杂浓度分别为5×16 cm-3和1×16 cm-3，电极的接触材料为金（Au）。上述参数在2个器件中保持相同。设器件仿真中使用的所有参数的详细值取自参考文献[6]，并汇总在表1中。

表1 器件仿真中使用的参数

2.1 光照下的电流电压特性

单直径纳米柱和双直径纳米柱CdS/CdTe电池的电流电压特性比较如图2所示。

图2 单直径纳米柱和双直径纳米柱CdS/CdTe电池的电流电压特性比较

由图2可知，在AM1.5照明条件下，本文所设计的双直径纳米柱结构及其传统单直径纳米柱结构（Dtop/D=100%）太阳能电池的模拟电流电压特性。在2种器件中均使用了高度为400 nm的纳米柱，并保持器件宽度相同。可以看出，与单直径纳米柱结构相比，该器件在任何外加阴极电压下都表现出更高的阴极电流密度。

研究表明，通过2个直径不同的圆柱体形成纳米柱，可见光谱的光吸收率得到了增强[7]。光学浓度效应的本质可以解释为色散光学模的叠加，它是单直径纳米柱阵列中光吸收增强的主要因素。它们的色散和重叠因子强烈依赖于几何形状[8]。在双直径纳米柱结构中，研究者能够定制太阳能电池的几何结构，使短波长光谱和长波长光谱集中在不同的纳米柱内，以提供高光吸收率，从而提高太阳能电池的转换效率。

2.2 纳米柱高度之比的影响

纳米柱高度之比对短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）、电池转换效率（η）的影响如图3所示。所有这些器件参数都是从AM1.5照明下太阳能电池的电流电压特性中提取出来的。保持纳米柱宽度不变，纳米柱高度之比从0增加到100%。由图3可知，Jsc、Voc、FF、η随纳米管高度之比的增加先增大后减小。

图3 纳米柱高度之比对短路电流密度（J sc）、开路电压（V oc）、填充因子（FF）、电池转换效率（η）的影响

2.3 纳米柱宽度之比的影响

由上一节的研究可得，在纳米柱高度之比大于70%以后，纳米柱太阳能电池的光电转换效率有下降的趋势，所以在本节中选取纳米柱高度之比固定为70%，纳米柱宽度之比从0增加到100%。纳米柱宽度之比对器件短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）、电池转换效率（η）影响如图4所示。由图4可知，在给定的器件区域内，保持纳米柱高度之比不变，随着纳米柱宽度之比的增加，器件参数先增大再减小。可以看出，与单直径纳米柱结构的n-CdS/p-CdTe太阳能电池相比，双直径结构器件的Jsc、Voc、FF和η值都有所提高。当Ltop/L的值为0.5时，纳米柱的光电转换效率最高，为19.72%，短路电流密度为30.24A/cm2。

图4 纳米柱宽度之比对短路电流密度（J sc）、开路电压（V oc）、填充因子（FF）、电池转换效率（η）的影响

3 结论

本文对一种新型的双直径纳米柱结构的CdS/CdTe太阳能电池进行了器件仿真，以在载流子的光生和电荷收集效率之间获得更好的平衡。详细的器件仿真结果表明，随着不同直径部分纳米柱高度之比或宽度之比的增加，器件性能有所提高。然而，对于给定的器件宽度或高度，太阳能电池的性能参数首先增加到最大值，然后开始减小。理想双结吸收体的Shockley-Queisser极限约为44%[9]，这意味着该结构仍有一些改进空间。这种双直径DNPL阵列结构为提高太阳能电池的转换效率提供了一个很有前景的方法，这种结构可以进一步发展为多直径纳米柱阵列。通过在空间和光谱上调整结构以适应吸收光谱分离的不同要求，它可以应用于多结太阳能电池的设计中。