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中国长江三峡集团有限公司
中国长江三峡集团有限公司(以下简称“三峡集团”)是全球最大的水电开发运营企业和中国领先的清洁能源集团,入选首批创建世界一流示范企业名单,在中央企业年度经营业绩考核中连续15年获评A级。截至2022年底,三峡集团可控装机达1.25亿千瓦,其中清洁能源装机突破1亿千瓦,资产总额达1.27万亿元,资产负债率始终保持在稳健水平,继续保持最高的国际信用评级。三峡集团奋力实施清洁能源和长江生态环保“两翼齐飞”,努力为实现碳达峰、碳中和目标,促进经济社会发展全面绿色转型作出更大贡献。
平台目标
兼顾晶硅电池,有机、钙钛矿、叠层等新型高效太阳电池的“光-电-热-量子”多物理场仿真和“材料-器件-电路”多层级仿真,进而为新材料、新原理光伏器件研究,标准电池设计,测试参数体系确立及高效光伏组件研发,提供仿真分析工具。平台也将辅助光伏电池领域的教学工作。
平台功能
1.光学仿真
光学吸收率、反射率、激子生成率、平面绒面设计、入射光谱修正。
2.电学仿真
载流子输运(太阳电池共性响应,包括:伏安曲线、特性参数、电势、载流子浓度/电流、能带图、复合)、激子扩散解离(有机电池个性响应)、离子迁移堆积(钙钛矿电池个性响应)、热电子发射-量子隧穿(叠层电池隧道结及TOPCon电池隧穿氧化层个性响应)。
3.电路仿真
传统电路模型(短路电流、暗电流、理想因子、串并联阻抗)、基于细致平衡理论的电路模型(体/表面复合系数、串并联阻抗)、器件效率瓶颈智能量化(光学损失、非辐射复合损失、欧姆损失)。
4.材料器件库
常用光伏材料库(晶硅、III-V/II-VI材料、有机、钙钛矿卤化物物态特性,包括:禁带宽度、复折射率、光吸收系数、光跃迁强度、激子结合能、载流子有效质量、介电常数、电子亲合能、金属功函数等)、光电仿真器件库(涵盖不同种类的太阳电池)。
5.其它辅助功能
材料器件库的云端处理,分布式多用户并发计算,仿真结果动态展示,智能用户交互,高端技术论坛,视频使用帮助。
平台算法
平台采用国际领先的数值方法,精准、快速、高效求解麦克斯韦方程、漂移-扩散模型、电路模型,实现了“材料-器件-电路”多级、多层次光伏器件模拟技术,具有完全自主可控的知识产权。
1.材料仿真
采用基于量子机制的第一性原理计算方法,求解材料基态结构和电子结构,分析其物态特性。
2.光学仿真
采用模式匹配方法,求解麦克斯韦方程。
3.电学仿真
采用非均匀空间差分(Scharfetter-Gummel格式)、时间半隐式步进,求解漂移-扩散模型。其中,量子隧穿部分,采用非局域隧穿和WKB近似,且与漂移-扩散模型无缝集成;激子部分,采用局域扩散解离(Onsager-Braun模型)-非局域直接解离混合模型;离子部分,采用离子迁移堆积模型。
4.电路仿真
采用牛顿、拟牛顿、修正节点法,求解单片太阳电池电路模型与大规模太阳电池组件模型(自建网表)。
目前进展及算例展示
已完成太阳电池的基本光电仿真及器件库功能。算例展示如下:
1.晶硅TOPCon太阳电池
器件结构Ag/SiNx [70 nm] ● c-Si (p+) [300 nm] ● c-Si (n) [200000 nm] ● SiO2 [1 nm] ● c-Si (n++) [30 nm] ● Ag [1000 nm]
器件活性层与隧穿层厚度差距5个量级,计算误差与Silvaco相比小于1%,计算时间提高1个量级。
2.钙钛矿太阳电池
器件结构ITO [50 nm] ● NiOx [20 nm] ● MAPbI3 [500 nm] ● C60 [50 nm] ● Ag [120 nm]
计算误差与FDTD Lumerical相比小于1%,计算时间提高1个量级。
3.有机太阳电池
采用朗之万双分子复合模型和局域扩散解离(Onsager-Braun模型)-非局域直接解离混合模型。下图展示了伏安曲线随非局域激子比例的变化。
4.PIN结构光伏/光电检测器暗电流计算
平台可采用常数生成率设置,设置为0时,对应器件的暗电流。针对典型PIN结构的光伏/光电检测器结构,下图展示计算出的饱和暗电流与解析解吻合良好。
5.钙钛矿离子移动计算
采用先从初始电压正扫至结束电压,再从结束电压反扫回初始电压的模式,计算迟滞伏安曲线。可同时考虑正负离子移动,离子移动范围可只在活性层,也可移动到载流子传输层。下图展示了不同扫描速度下器件的迟滞伏安曲线。
平台运作
根据用户需求,网站提供的基本计算功能永久免费使用。部分高级功能,包括材料/器件库导入,效率瓶颈损失量化,计算排队优先等,将适当收费,维持平台正常运转。平台将在1-2年后,正式运营。
现阶段,平台采用“一边测试一边研发”的运营策略,不收取任何费用。正式运营后,用户可选择私有的材料、器件库自愿提交,后台审核后加入公共材料、器件库(并给予用户奖励),供所有用户使用,从而打造良好的光伏生态圈。
未来规划
根据国家碳达峰、碳中和战略和产业需求,未来可能的研发项目:光伏组件级仿真;光伏测试表征仿真(瞬态荧光光谱,瞬态光电流/光电压,阻抗谱等);其它光电子器件仿真(发光二极管、光电检测器等)。
使用及建议
平台首页的“使用帮助”栏目,提供了视频教程;光学仿真、电学仿真、电路仿真页面的“操作说明”会提供简略的使用教程;注册登录后,阅读平台左侧栏目“客服中心”的“常见问题”。
关于网站任何的软件错误、网站发展的任何建议,欢迎联系我们,联系方式在网站首页下方的“联系我们”。
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