为了提高太阳能电池的效率，我们将使用 Lumerical 工具展示薄膜材料、III-V 材料、有机材料、等离子体材料、染料敏化材料、光栅和光子晶体。本文档的其余部分将向您展示如何使用 Ansys Lumerical 来仿真和优化各种太阳能电池。

平面硅太阳能电池：

尽管与其他结构相比，薄膜太阳能电池的效率相对较低，但由于制造成本低，它们受到了广泛关注。Si 在较长波长下的低吸收是效率低下的主要原因。在这个例子中，我们将使用 Lumerical 模拟一个简单的 1D planner 硅太阳能电池。可以从电场强度和介电常数的虚部计算吸收。Lumerical FDTD 模拟可以测量这两个参数。

您将学习如何在太阳能电池的 Lumerical 模拟中定义几何、插入求解器和监控太阳能电池。例如，我们使用覆盖模拟区域和 FDTD 区域的太阳能发电分析组。在太阳光照射下，该计算计算电子-空穴对生成率。太阳能发电分析组输出属性作为发电率数据导出到 Lumerical DEVICE，这有助于电气模拟。

图 3 平面硅太阳电池

为了包含实际条件，我们还在模拟结构中包含了非理想情况，例如具有体复合的硅和具有体和表面复合的硅。最后，使用 Lumerical，您可以优化太阳能电池的短路电流、效率、开路电压和填充因子。这是模拟太阳能电池的工作流程。

图 4 模拟太阳能电池的工作流程

正常和倾斜入射的等离子体太阳能电池

薄膜太阳能电池具有显着降低光伏成本的潜力。然而，关键是将光捕获在太阳能电池中以增加光吸收，即增加转换效率。

使用 Lumerical，您可以计算太阳能参数并了解如何提高活性层的光吸收。为此，已经提出了纳米尺寸的结构，例如纹理表面和表面上的纳米颗粒沉积。

使用抗反射涂层和纹理可减少反射并将光捕获在电池内，从而延长其光路。研究人员发现等离子体方法最有效地增加了光吸收。

在纳米级材料中，银、金和铝反射大部分可见光并吸收大部分紫外线，因此能量损失最小，效率最高。通过因散射效应产生局部表面等离子体激元，吸收增加，从而导致较低的复合率、较高的开路电压和较高的转换效率，所有这些都是设计高效太阳能电池的关键性能参数。

图 5 太阳能电池表面金属纳米粒子

了解如何模拟金属纳米粒子太阳能电池。

https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042156874

使用周期性结构的太阳能电池设计

由于 Si 具有间接带隙，因此在该厚度下不会吸收大部分近红外辐射。结果，使用非常薄的 Si 衬底降低了成本，同时增加了效率。薄硅电池需要有效的光捕获方案以避免过度的光学损失。在基板顶部添加一层周期性结构可以最大限度地减少太阳能电池对太阳辐射的大背反射。在有限的光谱范围内，周期性结构有可能比随机结构更好地捕获光。一些研究调查了太阳能电池中光捕获的周期性结构。

图 6 (a) 2D 硅方形光栅太阳能电池 (b) 3D 柱状硅太阳能电池 (c) 具有 TiO2 金字塔阵列的硅太阳能电池 (d) 具有蛾眼增透膜的硅太阳能电池

了解有关设计周期性结构的更多信息。

https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042646593

https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042646053

https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042158434

https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042646833

III-V太阳能电池板

最大化效率是设计太阳能电池的主要挑战之一。在此示例中，您将了解 lumerical 如何考虑将单结 GaAs 太阳能电池的效率降低到 Shockley-Queisser 理论极限以下的光学和电气因素。

图 7 III-V 太阳能电池板

PC结构有机太阳能电池

与传统的硅基太阳能电池相比，有机太阳能电池 (OSC) 具有多种优势，包括低成本和灵活性。对于许多实际应用，需要提高低转换效率。已经进行了使用纳米尺寸结构以通过增加光吸收来提高转换效率的研究。在光活性层中使用光子晶体结构可以通过将光捕获为结构内的泄漏模式来增强光吸收。在这一部分中，您将学习如何使用 Lumerical 模拟 OSC 中的光吸收与 PC。

图8 PC结构有机太阳能电池

https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042157554

总之，可以使用 Lumerical 模拟不同种类的太阳能电池。可以模拟太阳能电池的周期结构、等离子体特性、有机特性，以及计算和优化它们的性能。

Ansys 仿真如遇到系统问题、本地电脑的算力问题、数据安全问题都不用担心，目前有云端解决方案，可以使用赞奇超高清云工作站，本地普通电脑可一键申请高性能工作站，资产安全保障，供软件中心，各种软件插件一键获取，且即开即用，使用灵活，不受地域及时间显示，方便快捷，节省硬件成本的同时让仿真效率更加高效。

从2D到3D，3D再到元宇宙，在通往Web3.0的行业道路上，数字创作不断寻求突破，设计硬件要求也在不断提高。赞奇超高清设计师云工作站，整合打通各行设计业务全流程， 将云端算力带到桌面端。实现硬件资产弹性使用、高效协同管理、数据资产安全保障，随时随地畅享一站式云上数字内容制作。返回搜狐，查看更多