研究发现,光学玻璃会影响太阳能电池的性能!

   电子分析员        

研究人员利用集成光电模型、数值研究了非相干前盖玻璃对Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)太阳能电池的电流-电压(J-V)特性的影响。一个3毫米的玻璃覆盖层——其厚度大于太阳光的相干长度——基于等定线厚度平均法进行非相干建模,其中波动方程的相干模拟结果在一组等定线相位厚度上进行平均。计算了光耗散、吸波率和电子-空穴对产生率随等宽相位厚度变化的变化。通过泊松和连续性耦合方程的数值解,得到了J-V曲线的计算结果。通过比较共格和非共格模拟的覆盖玻璃的J-V曲线,得到最大的短路电流密度偏差±0.54%。在CIGS太阳能电池的光电子建模中,为了提高电学J-V曲线的计算精度和光学吸收特性,前盖玻璃应被建模为光学非相干玻璃。


相关论文以题为“Effects of Incoherent Front Cover Glass on Current-Voltage Characteristics of Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells: Investigation into Calculation Accuracy for Cover Glass Modeled as Optically Coherent or Incoherent”发表在《Applied Sciences》上。




基于Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)吸收材料的薄膜太阳能电池,由于其成本低、效率高,已被广泛研究为传统硅基太阳能电池的有利替代品。CIGS太阳能电池由于其光学吸收系数高,吸收光谱宽、稳定性高,在2008年的功率转换效率达到19.9%,近年来达到20%以上。一般来说,CIGS太阳能电池由多个亚微米层组成,范围从金属背面的接触层到透明导电氧化物(TCO)的顶部接触层。在模块配置中,研究人员在TCO顶部接触层上增加了毫米厚的前封装和覆盖玻璃层,实现了玻璃-玻璃封装技术,可以提供更高的机械耐久性和运行稳定性。


由于太阳光的相干长度约为0.6 m(保留了光场的相位信息),因此在光学建模中,CIGS太阳能电池组件的多层结构可以看作是混合的相干层和非相干层。在厚度远小于太阳光相干性的多层相干结构内部,光干涉效应对的反射率和吸收率光学特性起着重要作用。相比之下,光在每个相干长度上都经历随机的相位变化,这样平均而言,光干涉效应在非相干层中消失。因此,CIGS太阳能电池的这种混合相干-非相干多层结构极大地影响了其吸收特性,在光电子建模中必须充分考虑。


在本研究中,研究人员研究了非相干前盖玻璃对CIGS太阳能电池的J-V特性的影响。非相干覆盖玻璃的光学模型是一个1-原子量m的初始层加上一组等速相位层(EPLs),其厚度根据ETAM确定。采用基于fems的集成光电模型对CIGS太阳能电池的光学和电学特性进行了数值计算。计算了光子晶体的光耗散、吸波率和电子-空穴对产生率随等宽相位厚度的变化。为了得到适用于etam的计算,包括厚覆盖玻璃层的非相干特性,相干光学模拟结果平均超过10个等宽相位厚度的EPL。通过对比jv CIGS太阳能电池的特性计算前后一致地和无条理地建模覆盖玻璃层之间,研究人员计算短路电流密度偏差的百分比(JSC)和开路电压(VOC),这可以被认为是准确的计算厚覆盖层玻璃时不当建模为一个连贯的层。


光学建模


图1是本研究中使用的CIGS太阳能电池的多层结构示意图。它包括顶部覆盖玻璃(3 mm),铝掺杂氧化锌(AZO) (50 nm)作为TCO,硫化锌(ZnS) (10 nm)作为n掺杂层,CIGS(2流道m)作为p掺杂层,钼(Mo) (400 nm)作为底部接触层。底部的玻璃基片被省略,因为它不影响CIGS太阳能电池的光学和电学特性。



图1.本研究中使用的Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)太阳能电池的多层结构示意图。3毫米覆盖玻璃的厚度大于日光相干长度(约0.6°m),将其视为非相干层,其余层建模为相干层。因为3毫米覆盖玻璃没有吸收,不连贯的盖玻片可以建模为一个1 -µm最初覆盖层玻璃+一个均布的阶段层(epl)的厚度确定结核病基于方程均布厚度平均方法(艾格)是应用于计算的影响不连贯的挡风玻璃层的模拟。


假设阳光具有气团(AM)的光谱辐照度1.5阳光,总功率S0 = 100 mW/cm2。假设阳光从空气中正常入射到CIGS太阳能电池中,该电池可被光学模拟为混合的非相干-相干多层结构。3毫米的覆盖玻璃,其厚度大于日光的相干长度(约0.6°m),被认为是光学不相干的。在基于ETAM的光学建模中,可以将透明非相干层的厚度转换为相应的光学相变,其周期为2th。因此,在模拟中使用的透明覆盖玻璃的厚度并不要求实际厚度为3mm。为了减少计算时间,研究人员在EPL的基础上增加了一个1-入射光厚度的初始覆盖玻璃层,其作用是通过EPL[18]中一组等宽的相位厚度有效地模拟非相干层中光的随机相位变化。其余的四层被视为相干层。几乎所有的入射光都在ZnS层和CIGS层的界面周围被吸收,对CIGS层的吸光特性没有光干涉影响,这将在后面解释。因此,尽管CIGS层的2-杂波m厚度大于日光的相干长度,但仍可视为光学相干。


仿真结果


图1中CIGS太阳能电池的光学建模是基于二维有限元(2D)进行的,有限元采用COMSOL Multiphysics的RF模块实现。材料的复折射率光谱如图2所示。在有限元模拟中,研究人员利用波动方程在计算域的非常小的网格上进行数值求解,并给出了适当的边界条件。研究人员利用空域最上边界的端口边界条件,生成了通常注入到CIGS太阳能电池多层结构中的具有较优比的平面波。此外,在仿真域的最左边界和最右边界采用了Floquet周期边界条件。



图2.CIGS太阳能电池所用材料的复折射率光谱,实部和虚部分别为(a)折射率(b)消光系数。


图3显示了当EPL的等步宽相位厚度设为t1 = 0 nm时,计算得到的电场振幅、时间平均波印亭向量和光功率耗散的二维空间分布。所有的计算结果都是在波长为xie = 400 nm处得到的,其中CIGS材料的消光系数最大,如图2b所示。在图3中,所有计算结果仅依赖于纵向z方向,与横向x方向没有空间相关性,这是在光学仿真领域中对最左、最右边界应用弗洛凯周期边界条件的结果。在图3b中,时间平均Poynting矢量在透明覆盖玻璃层中保持不变,而在AZO、ZnS和CIGS层中,由于这些层的逐渐光吸收,时间平均Poynting矢量继续下降。由于2-大部m厚CIGS层的吸收系数很高,图3c中ZnS/CIGS界面附近的光功耗明显,CIGS/Mo界面附近没有光吸收。因此,虽然CIGS层的2-色层m厚度大于日光的相干长度,但可以光学模拟为相干层。



图3.(a)电场幅值,(b)时间平均坡印亭向量和(c)在波长为(p = 400) nm处的光功率耗散的二维空间分布。将EPL的等宽相位厚度设为t1 = 0 nm。


调查香烟内的光吸收的太阳能电池是如何改变了EPL的厚度,根据平均间隔阶段的空间配置文件在10个不同的光功率量值计算均布相厚度的t1, t2,⋅⋅⋅t10当太阳光的波长是400和800海里。由于在横向x方向上施加周期性边界条件,光学建模得到的二维计算结果如图3所示,仅依赖于纵向z方向,因此在图4中计算出的空间剖面图在纵向z方向上绘制。在图4a中,在不同的EPL厚度下计算出的光吸收的总体指数衰减形状除了它们的相对大小外,其他都是可以比较的。这是由于玻璃覆盖层中EPL的不同厚度所引起的光学相变的不同。在10个相干计算结果中,etam应用的光功耗(包括覆盖玻璃层的光学非相干特性)处于中间位置。如果考虑玻璃的光学非相干性,计算出的10种不同等幅相位厚度下的光功率耗散空间分布与应用etam的计算结果一致。通过比较总金额的光功率量值分布在香烟层之间的连贯和ETAM-applied模型,研究人员得到一个偏差−9.65% + 10.22%的范围内,可以认为是计算的不准确在厚厚的盖玻片不当建模为相干层。



图4.计算空间的纵向z方向的光功率量值对10个不同的平均间隔相厚度的t1, t2,⋅⋅⋅t10。在(a) 400 nm和(b) 800 nm波长处得到了计算结果。为了考虑非相干玻璃覆盖层的影响,将10个相干计算结果平均得到的etam应用光功耗用红色虚线表示。


结论


研究人员用基于飞秒的集成光电模型数值研究了非相干前盖玻璃对CIGS太阳能电池的J-V特性的影响。3毫米覆盖玻璃的非相干特性被光学模拟为1- emm的初始层加上EPL, EPL的厚度是根据ETAM确定的。当覆盖玻璃被建模为相干层时,计算了在10个等定相位厚度下的各种吸收特性,如光功率耗散、吸收率和电子-空穴对产生率。将相干模拟结果平均到10个等宽相位厚度以上,得到了etam应用的计算结果。通过比较采用相干建模的覆盖玻璃与采用etam的覆盖玻璃计算的J-V特性,得到JSC的最大偏差±0.54%,当厚覆盖玻璃层被不当地建模为相干层时,可以认为是计算不准确。因此,在CIGS太阳能电池的光电子建模中,为了提高光吸收和J-V特性的计算精度,必须将前盖玻璃处理为光学非相干。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/9/3312/htm



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