光伏器件仿真设计平台，是由中国长江三峡集团有限公司联合浙江大学、吉林大学、香港大学、安徽大学、金华大道至简网络科技有限公司共同研发，服务于光伏行业的在线计算平台。平台适用于晶硅电池，有机、钙钛矿、叠层等新型高效太阳电池的工程建模分析。

(资料图片仅供参考)

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”。

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