首页 > 解决方案 > 光电子与通讯 > 利用RSoft Di 利用RSoft DiffractMOD計算太阳能电池光捕捉效率

太阳能电池的光捕捉效率一直都是科学家努力想提升的重点。因此,表面结构设计与材料选择不断推陈出新,将太阳能电池的效率推往实用与日常生活应用的新境界。本文介绍如何利用RSoft DiffractMOD和MOST验证参考文献[1]中所设计之光栅绕射结构,提升太阳能电池之光捕捉效率。


介绍

本文讨论的太阳能电池结构设计系一简单多层设计:单层抗反射膜、频率响应的硅吸收层、硅光栅与硅/二氧化硅制磊晶分布布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector, DBR)。该结构在RSoft CAD设计平台下显视如图 1:

图1


吸收频谱计算

利用仿真软件计算薄膜组件特性时,通常会需要具有解析解能力之演算工具。光追迹(Ray-based)光学在仿真光栅效应时无法发挥其效果,因此我们需要一个以波动光学为演算基础的软件。RSoft DiffractMOD即是一套以严格耦合波分析法(Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA)为基础的绕射光学仿真工具,提供电磁场在不同结构中的全向量解,并计算组件之吸收频谱。透过将计算出之吸收频谱与太阳能光谱代入理论计算中,即可求得光子总吸收量,估算其结构设计之光捕捉率的优劣。图 2为利用RSoft DiffractMOD计算该结构设计之吸收频谱。

图2


利用MOST工具计算捕捉效率

多变量优化与扫描工具(Multi-Variable Optimizer and Scanner Tool, MOST)为RSoft计算模块中针对复杂变量进行优化处理之工具。在太阳能电池案例中,MOST可针对光捕捉效率对结构设计参数进行优化处理。首先,在未加入光栅和DBR前,光捕捉效率在硅吸收层厚度为5微米与10微米的设计中为12%与15%。其次,其他的参数设计条件模拟如图 3所示:

图3


该结果显示,藉由改变抗反射膜之折射率与绕射光栅的周期,光捕捉率将可提高约17%至19%。


参考文献

[1] 1N. N. Feng, J. Michel, L. Zeng, J. Liu, C. Hong, L. C. Kimerling, and X. Duan, "Design of highly efficient light-trapping structure for thin-film crystalline silicon solar cells," IEEE Trans. on Electron Devices, Vol. 54, No. 8, August, 2007.


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