王劍濤 肖文波? 夏情感 吳華明 李璠 黃樂

1) (南昌航空大學(xué),無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063)

2) (江西省光電檢測(cè)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063)

3) (南昌大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,南昌 330031)

4) (廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院,廣州 450001)

背電極是影響鈣鈦礦太陽電池性能的一個(gè)重要因素.本文采用COMSOL 軟件仿真研究了背電極材料、結(jié)構(gòu)、厚度對(duì)電池性能的影響規(guī)律.發(fā)現(xiàn)相對(duì)于背電極金屬的功函數(shù),其阻值對(duì)電池性能影響小.背電極結(jié)構(gòu)除了阻值會(huì)影響電池性能,還存在影響電池性能的其他因素.蜂窩結(jié)構(gòu)背電極中,考慮制作難易程度的情況下,圓形半徑約等于邊緣間距時(shí)性價(jià)比最高.預(yù)測(cè)背電極中每增加10%的孔隙,電池性能大約提升5%.背電極阻值隨著厚度的增加而減小,考慮工藝、成本等因素的前提下,最佳的厚度應(yīng)在100—150 nm 之間.

1 引言

影響鈣鈦礦太陽能電池效率的因素有很多,如器件結(jié)構(gòu)[1]、界面屬性[2,3]等.這些因素?zé)o一例外都會(huì)反映電池的光電轉(zhuǎn)換效率(photoelectric conversion efficiency,PCE)[4]、串聯(lián)電阻(series resistance,Rs)[5]、填充因子(fill factor,FF)[6]等變化.電池背電極[7,8]作為鈣鈦礦太陽能電池的重要部分,其阻值在串聯(lián)電阻中占據(jù)了很大的比例.背電極阻值由材料的種類(例如鉑Pt[9]、金Au[10]、炭基的復(fù)合材料[11])、結(jié)構(gòu)[12](例如仿生蛾眼納米結(jié)構(gòu)背電極[13]、準(zhǔn)交指式背電極[14])等耦合在一起決定,其反映了電池的性能,目前仍然有較大的優(yōu)化空間[15,16].

為此,本文從背電極材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及厚度優(yōu)化出發(fā),采用COMSOL 軟件仿真研究了鈣鈦礦太陽能電池背電極電阻的變化,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,分析得出優(yōu)化的背電極屬性.

2 模型構(gòu)建與驗(yàn)證

COMSOL 軟件廣泛用于鈣鈦礦太陽能電池的理論研究[17?19].上海大學(xué)車?yán)训萚20]仿真與實(shí)驗(yàn)研究了鈣鈦礦太陽能電池的背電極特征.為此,本文采用COMSOL 中AC/DC 模塊重復(fù)文獻(xiàn)中八邊形結(jié)構(gòu)的銀(Ag)背電極,并將得到的仿真電阻數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證仿真結(jié)果.

圖1(a)和圖1(b)是文獻(xiàn)[20](圖1(a))及本文(圖1(b))構(gòu)建的背電極結(jié)構(gòu)在COMSOL 中的網(wǎng)格剖分圖,圖1(c)是文獻(xiàn)與本文計(jì)算的背電極電阻-厚度變化趨勢(shì).從圖1(c)可以看出,文獻(xiàn)中提取獲得的阻值與本文仿真所得阻值雖然在部分厚度上有所區(qū)別,但是總體符合很好.它們平均相對(duì)誤差小于0.6%,誤差基本可以忽略不記,并且變化趨勢(shì)兩者一致,由此驗(yàn)證本文模型構(gòu)建及計(jì)算是對(duì)的.

圖1 文獻(xiàn)(a)及本文(b)構(gòu)建的背電極結(jié)構(gòu)在COMSOL 中的網(wǎng)格剖分圖;(c)文獻(xiàn)與本文計(jì)算的背電極電阻-厚度變化趨勢(shì)圖Fig.1.The grid diagram of the back electrode structure constructed in literature (a) and this paper (b) in COMSOL;(c) back electrode resistance changing with its thickness.

3 背電極材料、結(jié)構(gòu)、厚度的研究

3.1 背電極材料的影響

研究文獻(xiàn)[21]中厚度為150 nm 的鋁(Al)、錫(Sn)、Ag、鐵(Fe)、銅(Cu)、Au 6 種八邊形結(jié)構(gòu)金屬背電極的阻值.圖2(a)和圖2(b)分別是6 種金屬背電極功函數(shù)、PCE 及其電阻.

圖2 6 種金屬的背電極功函數(shù)、電池轉(zhuǎn)換效率(a)及其電阻(b)Fig.2.Back electrode work function,cell conversion efficiency (a) and electrode resistance (b) of six metals.

由圖2 可知,上述6 種材料中Ag 的阻值是最小的,只有0.41881Ω,Au 和Al 則次之;而Sn 和Fe 的電阻阻值最大,遠(yuǎn)大于其他材料的阻值.因此,若只考慮金屬材料自身電阻對(duì)鈣鈦礦太陽能電池的影響時(shí),使用Ag 作為背電極材料制備的鈣鈦礦太陽能電池性能最好,而使用Sn 作為背電極材料制備的鈣鈦礦太陽能電池性能最差.將上面金屬電阻值分別和金屬材料功函數(shù)以及文獻(xiàn)中的PCE對(duì)比,發(fā)現(xiàn)金屬電阻小的其功函數(shù)和PCE 不一定大,而電阻大的其功函數(shù)和PCE 也不一定小.但可以看出金屬功函數(shù)與電池PCE 的大小成反比.由此可知,金屬材料的阻值對(duì)電池性能影響沒有功函數(shù)大.采用上述方法進(jìn)一步研究了八邊形結(jié)構(gòu)碳基背電極,電阻值為8596 Ω.盡管碳基背電極的阻值是Au 電極的數(shù)千倍,但其PCE 仍然可以超過10%[11].因此,背電極電阻值對(duì)電池效率的影響相對(duì)其他因素來說較小.此外,與文獻(xiàn)[21]中三種空穴傳輸層NiO,Cu2O,P3HT 下的鈣鈦礦電池PCE對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)三種空穴傳輸層下,金屬性質(zhì)對(duì)電池PCE 影響規(guī)律一樣,即與金屬電阻值相比,金屬功函數(shù)對(duì)電池PCE 的影響更大.

3.2 背電極結(jié)構(gòu)影響

3.2.1 蜂窩結(jié)構(gòu)S-HQIDE 和L-HQIDE 背電極的比較

文獻(xiàn)[22]分別設(shè)計(jì)了兩種暴露面積的背電極結(jié)構(gòu):一種是暴露面積較小的蜂窩結(jié)構(gòu)(S-HQIDE),它的背電極圓形直徑約為2.7 μm,邊緣間距約為1.3 μm.另一種是暴露面積較大的蜂窩結(jié)構(gòu)(LHQIDE),它的圓形直徑約為8.0 μm,邊緣間距約為1.5 μm.圖3 是厚度2.5 μm 的S-HQIDE(圖3(a)和圖3(c))和L-HQIDE(圖3(b)和圖3(d))的結(jié)構(gòu)以及仿真圖.

圖3 S-HQIDE (a、c)和L-HQIDE(b、d)的背電極結(jié)構(gòu)以及仿真圖Fig.3.Back electrode structure and simulation diagram of S-HQIDE ((a),(c)) and L-HQIDE ((b),(d)).

由圖3 知S-HQIDE 結(jié)構(gòu)的電阻為0.012249 Ω,而L-HQIDE 結(jié)構(gòu)的電阻為0.017534 Ω.兩種結(jié)構(gòu)電勢(shì)相似,都在水平方向上相等,在豎直方向上均勻下降直至為零.比較可知,L-HQIDE 結(jié)構(gòu)的阻值約為S-HQIDE 結(jié)構(gòu)的1.4 倍.若只考慮電阻的影響,則使用S-HQIDE 結(jié)構(gòu)作為背電極的太陽能電池效率約為L-HQIDE 結(jié)構(gòu)背電極效率的1.4 倍.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明它們的PCE 之比約為4 倍.因此,蜂窩型結(jié)構(gòu)背電極除了在阻值方面上影響效率外,還在其他方面,例如接觸面積上影響了電池的效率.

3.2.2 蜂窩結(jié)構(gòu)中圓形半徑對(duì)背電極的影響

研究厚度為150 nm Ag 薄膜蜂窩結(jié)構(gòu),邊緣間距分別為1 和2 μm 時(shí),圓形半徑依次為0.5,1,1.5,2,2.5 和3 μm 的背電極電阻,結(jié)果如圖4 所示.

由圖4 可知,圓形半徑為0.5 μm 時(shí),邊緣間距分別為1 和2 μm 的背電極阻值都最小,半徑為3 μm 時(shí)電極阻值最大.并且隨著圓形半徑的增加,電阻是在逐漸增加的,但是增大的趨勢(shì)不是線性的.同時(shí)發(fā)現(xiàn),在半徑相同時(shí),邊緣間距為2 μm 的背電極阻值更小,這可能是由于當(dāng)邊緣間距為2 μm 時(shí),在相同的面積上,該結(jié)構(gòu)的圓形間隙個(gè)數(shù)更少,占比面積較小,因此使得它的電阻比邊緣間距為1 μm 時(shí)的小.

圖4 蜂窩結(jié)構(gòu)背電極電阻隨圓形半徑的變化Fig.4.The resistance of the back electrode with honeycomb structure varies with the radius of the circle.

由此,理論上來說蜂窩結(jié)構(gòu)背電極的圓形半徑是越小越好,邊緣間距越大越好.但是圓形半徑越小其制作就越復(fù)雜,制作時(shí)間也要越長,且邊緣間距越大可能會(huì)使得整個(gè)電極的面積越大,性價(jià)比低.因此認(rèn)為蜂窩結(jié)構(gòu)的圓形半徑約等于邊緣間距時(shí)性價(jià)比最高.

3.2.3 多孔孔隙的占比對(duì)背電極的影響

最近基于多孔隙金背電極的鈣鈦礦太陽電池研究中,發(fā)現(xiàn)孔隙中CH3NH3PbI3填充效果是影響器件性能的重要因素[23,24].為此,研究了厚度為150 nm 正方形Ag 背電極(面積 100 μm×100 μm)中,1—10 μm 孔隙占比對(duì)其電阻影響的規(guī)律.圖5 是無孔隙及10%隨機(jī)孔隙時(shí)背電極仿真圖及其電阻(圖5(a)),以及占比變化對(duì)其電阻值的影響(圖5(b)).

圖5 無孔隙及10%隨機(jī)孔隙時(shí)背電極仿真圖及其電阻(a),以及占比變化對(duì)其電阻值影響(b)Fig.5.Simulation diagram of back electrode without and with 10% random pores and its resistance (a),and the influence of proportion change on its resistance (b).

由圖5(a)可知,添加孔隙后的背電極電阻比無孔隙時(shí)要小.原因是孔隙的加入導(dǎo)致電流通過的橫截面積增加.由圖5(b)可知,隨著孔隙占比的增加,其阻值幾乎線性減小,且每增加10%的孔隙,其阻值大約減少0.005 Ω 左右,減少比例大約為5%.因此,預(yù)測(cè)每增加10%的孔隙,提升電池PCE大約5%.

進(jìn)一步分析上述最優(yōu)結(jié)構(gòu)的相對(duì)性能.由于多孔孔隙結(jié)構(gòu)背電極中占空比的差別,導(dǎo)致不能通過阻值大小比較來直接判斷結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣.為此,需要計(jì)算出上述結(jié)構(gòu)補(bǔ)充為矩形時(shí)的電阻,然后通過各個(gè)結(jié)構(gòu)阻值與該矩形結(jié)構(gòu)的比值來判斷結(jié)構(gòu)的相對(duì)性能.得出邊緣間距為1 μm、圓形半徑為0.5 μm的蜂窩結(jié)構(gòu)的比值為1.3157,邊緣間距為2 μm、圓形半徑為0.5 μm 蜂窩結(jié)構(gòu)的比值為1.1141,50%多孔隙結(jié)構(gòu)的比值為1.5440,八邊形結(jié)構(gòu)的比值為1.5871.由此可知,邊緣間距為2 μm、圓形間隙半徑為0.5 μm 的蜂窩結(jié)構(gòu)比值最小,性能最好.

3.3 厚度對(duì)背電極影響

研究邊緣間距為2 μm 圓形半徑為0.5 μm 的Ag 薄膜蜂窩結(jié)構(gòu)背電極.圖6 是仿真蜂窩結(jié)構(gòu)(圖6(a))及背電極電阻-厚度變化趨勢(shì)圖(圖6(b)).

圖6 仿真蜂窩結(jié)構(gòu)(a)及背電極電阻-厚度變化趨勢(shì)圖(b)Fig.6.Simulated honeycomb structure (a) and back electrode resistance changing with its thickness (b).

由圖6 可知,背電極厚度為45 nm 時(shí)電阻最大,1000 nm 厚度的背電極電阻最小;且隨著背電極厚度的增加,電極電阻是在逐漸減小的.在厚度為45—200 nm 之間的電阻變化趨勢(shì)最大,下降得最為迅速,而在500—1000 nm 之間的電阻變化趨勢(shì)最小,下降得不明顯.

實(shí)際上,對(duì)于鈣鈦礦太陽能電池來說背電極的電阻越小越好,因此理論上來說背電極的厚度是越大越好.但在考慮制作成本及制作效率的條件下,當(dāng)背電極厚度達(dá)到200 nm 以上時(shí),電阻的變化程度不明顯,性價(jià)比低;而背電極厚度低于100 nm時(shí),電阻的變化幅度比較大,很難精確地控制.因此蜂窩結(jié)構(gòu)的背電極厚度在為100—150 nm 時(shí)其性能最優(yōu),效果最佳,此時(shí)電極的制備成本等較合適.

4 總結(jié)

本文從背電極材料、結(jié)構(gòu)、厚度等三個(gè)方面進(jìn)行了仿真研究,并討論了電極阻值對(duì)鈣鈦礦太陽能電池性能的影響規(guī)律.由結(jié)果可知,相對(duì)于金屬的電阻值,金屬的功函數(shù)對(duì)電池性能的影響更大.不同的背電極結(jié)構(gòu)除了其阻值會(huì)影響電池性能外,還存在影響電池性能的其他因素;蜂窩結(jié)構(gòu)背電極中,考慮制作難易程度的情況下,得出圓形半徑約等于邊緣間距時(shí)性價(jià)比最高;預(yù)測(cè)每增加10%的孔隙,電池效率大約提升5%;背電極的阻值隨著厚度的增加而減小,考慮工藝、成本等因素的前提下,得出最佳的厚度應(yīng)在100—150 nm 之間.