微纳光伏器件高精度光电热耦合仿真

近些年,随着新材料、新结构涌现,微纳光伏器件表现出愈来愈强的空间和多物理场依赖性。在光学层面,基于陷光原理的光学吸收增强设计往往具有较强的空间共振特点。器件的薄膜化和超强光捕获虽然减少了材料的使用并提高了光能利用率,但同时使电池的散热问题变得突出。在电学方面。由于微纳光伏器件往往具有严格的三维结构,纳米/亚微米尺度下,载流子的输运不仅依赖于器件空间结构还与光生载流子空间分布有关,非辐射复合过程会造成载流子的损耗并产生热量使器件温度上升。在热力学方面,器件的薄膜化和高能光子入射不仅造成了电池的温度上升,还严重影响器件的光电转换效率。热产生机制和降温机制同时作用于器件,使器件热力学过程变得复杂。因此,对于光伏系统而言,光吸收、电转换、热传递不再是单独的物理过程,而是光电热互转换、互耦合过程。

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当前针对微纳光伏器件的整体设计还停留在纯光学分析或者稍近一步的光电分析。全面彻底的光电热研究成为微纳光伏器件设计的重要课题。近日,苏州大学光电信息科学与工程学院李孝峰教授课题组报道了微纳光伏器件严格的光电热仿真,将光伏器件设计推向了新高度。他们以砷化镓太阳能电池为例,通过全面分析电池的光学吸收、载流子输运/复合/收集、热产生/热耗散过程,量化了能量在光伏系统中的分布,揭示了光伏系统中的能量转换与平衡。研究表明,在光伏系统中,吸收的光子能量一部分转换成电流驱动负载输出,剩余的绝大部分能量以热的形式在光伏系统中传递。通过严格考虑光伏系统中热产生(热化、焦耳热、帕尔帖热、非辐射复合热)和热耗散(对流降温、辐射降温)过程,可以得到光伏器件的空间温度分布信息。微纳光伏器件高精度光电热耦合仿真研究揭示了器件物理本源,为光伏器件设计提供了新思路。

相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201603492)上。