太陽能電池的設計和創新無外乎于兩個方面：增強器件的光學吸收性能與增強器件內部的載流子傳導收集效率。前者從根本上決定了器件俘獲光能的能力，而后者則關乎器件的實際電氣輸出性能，兩者相輔相成，缺一不可。
由于太陽能電池中同時存在光場、電場、載流子分布、邊緣界面態等多種相互耦合的物理機制，使得準確預測器件的光電性能變得困難，尤其是在使用了新型的器件構型和光電材料之后。高檔次的太陽能電池研究論文往往需要借助計算機模擬仿真來獲得器件內部的各種物理信息，為其研究成果提供強有力的理論依據和實驗參照。
半導體太陽能電池的計算機仿真技術繼承于傳統的半導體工藝模擬和器件模擬技術，即TCAD（Technology Computer Aided Design）模擬技術。在傳統TCAD軟件家族里，最為大家所熟知的兩大巨頭便是來自Silvaco公司的Silvaco TCAD套裝與來自Synopsys公司的Sentaurus TCAD套裝。這兩款軟件包可以實現從半導體器件制造工藝模擬，到分立器件物理特性（電、光、聲）仿真，再到電路集成系統性能測試的“全棧式”計算機模擬和設計自動化，因此被廣泛使用于現代半導體設計與制造領域，堪稱行業標準。其超高的模擬精準度甚至可以用來指導半導體生產線的參數調試。
在光電器件仿真方面，TCAD軟件的核心都是先通過各類光學仿真器建立器件內部的穩態光場分布并獲得載流子激發速率，再利用有限元分析求解器件內部在指定工作電壓下的穩態電場與載流子流場，并最終推算出電極處的光電流強度以及器件的光電能量效率。
傳統TCAD仿真軟件至今仍然活躍在以硅太陽能電池為代表的傳統光伏器件研究領域。例如斯坦福大學崔毅團隊便使用了Sentaurus TCAD計算并指導設計了硅基薄膜背接觸太陽能電池，相關研究成果被發表在Nature Communications上 ( DOI: 10.1038/ncomms3950)。
圖 1使用Sentaurus TCAD模擬模擬硅基太陽能電池，獲得伏安曲線、內外量子效率等器件特性參數 （Nature Communications | DOI: 10.1038/ncomms3950）
隨著納米材料和微納尺寸器件構型在太陽能電池領域的興起，光學設計的重要性日益突出。一方面，由于納米塊材，如納米線、納米柱等，在空間上天然的稀疏性，或者因為納米晶薄膜材料中有限的載流子傳遞效率對材料厚度的巨大限制（通常在幾百納米以內），導致這類器件在光能吸收方面可能有先天的不足。而另一方面，合理使用微納結構的光學共振特性，能顯著提高器件對共振波段的有效吸收，甚至還有可能在光學性能上超越一般的塊材器件。
在這樣的背景下，傳統TCAD軟件普遍采用的基于光線追蹤（Ray Trace）算法的光學仿真器變得不再適用，與此同時一類更加注重器件微納光學性能計算，精簡載流子輸運模擬的仿真模式開始在太陽能電池領域興起。例如FDTD（Finite-difference time-domain）和 COMSOL光學仿真器便是其中的代表。得益于對麥克斯韋方程的直接（數值）求解，這類仿真模式能更加準確地還原器件的各類光學模式和載流子激發分布，尤其在對擁有光子晶體、表面等離子激元等光學現象的器件上有突出的表現。
下面介紹的這一篇來自美國德州奧斯汀分校Shaochen Chen團隊的Nano Letters（Nano Lett |DOI: 10.1021/nl904057p）便是一篇時間相對較早的代表性論文。在這篇文章中，研究人員使用了FDTD光學仿真探究了使用金屬條柵結構在薄膜電池中獲得廣譜、廣角、偏振不敏感的光吸收增強的可能。其背后的物理機理便是充分利用了薄膜器件中Fabry - Perot共振、平面波導以及金屬條柵的表面等離子激元等多種光學模式。而FDTD模擬成為了揭示這一作用機理的利器。
圖2使用FDTD光學模擬準確獲取薄膜太陽能電池中的光學模式（Nano Lett |DOI: 10.1021/nl904057p）
在實驗方面，香港科技大學范志勇教授團隊使用納米拓印技術將類似上述的器件設計理念應用于超薄非晶硅電池的設計創新中，成功使器件的光學性能獲得了約30%的提升，相關研究成果被刊發在頂級神刊物EES上（Energy Environ. Sci| DOI: 10.1039/c3ee41139g）。這里，FDTD/COMSOL光學模擬同樣在器件設計指導與論文理論說明上提供了強有力的支撐。
圖3使用FDTD光學模擬還原使用復雜器件構型下的內部光場信息（Energy Environ. Sci| DOI: 10.1039/c3ee41139g）
對于基于納米線\柱構型的太陽能電池而言，準確計算預測納米線\柱結構中的光學共振模式，如Mie共振模式和波導模式，是獲得優質光學吸收性能的一大前提。
在這篇曾經引領一時風潮的InP納米線太陽能電池的報道中（Science|DOI:10.1126/science.1230969），瑞典蘭德大學Magnus T. Borgstr?m教授團隊就使用了散射矩陣(scattering matrix)法計算了InP納米線陣列中的光場分布以及每根納米線內部相應的載流子激發率。這些模擬結果成為其論證納米線太陽能電池光學性能的重要理論依據。
圖 4 使用光學模擬技術獲取InP納米線陣列中的載流子激發率分布（Science|DOI: 10.1126/science.1230969）
而后來更為登峰造極的經典之作當屬下面這篇來自丹麥哥本哈根大學Anna Fontcuberta i Morral教授團隊的Nature Photonics（NATURE PHOTONICS|DOI: 10.1038/NPHOTON.2013.32）。在這篇文章中，研究團隊使用了一根看似平淡無奇的p-i-n核-殼（core-shell）納米單線，通過利用納米線的Mie共振模式，獲得了對太陽光譜有針對性的增強吸收，最終在標準光譜下(AM1.5)實現了超越Shockley–Queisser極限的器件轉換效率！助其完成光學理論驗證與說明的正是更為精準和完備的FDTD光學仿真。
圖 5使用FDTD光學仿真設計單納米線太陽能電池，獲得超越Shockley–Queisser極限的器件轉換效率（NATURE PHOTONICS|DOI:10.1038/NPHOTON.2013.32）
在以量子點薄膜為代表的新興薄膜材料電池領域，計算機仿真同樣在增強薄膜的整體光學吸收性能和載流子輸運效率方面顯現出強大的指導能力和實用價值。
以量子點電池聞名于世界的多倫多大學Sargent教授課題組自2014年以來，多次在Nano Letters, ACS Nano等頂級期刊上發表有關利用量子點薄膜整體構型來提升其光學吸收性能的研究成果，而其背后同樣使用了大量的FDTD光學仿真來論證支持他們的設計。
(NanoLetters|DOI: 10.1021/nl504086v,
ACSNano|DOI: 10.1021/acsnano.5b01296,
NanoLetters|DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05241)
圖6利用FDTD仿真，計算復雜量子點薄膜構型的光學吸收性能（Nano Letters|DOI: 10.1021/nl504086v）
而在Sargent課題組更早期一點的研究中（Advance Material| DOI:10.1002/adma.201104832），他們更是借助了Sentaurus TCAD器件仿真來研究納米柱構型的電極結構在量子點薄膜中收集載流子的能力，成為當時研究納米晶薄膜電池載流子輸運效率的經典之所。
圖 7使用Sentaurus TCAD研究了納米柱構型的電極結構在量子點薄膜中收集載流子的能力（Advance Material| DOI:10.1002/adma.201104832）
總結一下，太陽能電池的器件仿真可以幫助我們獲得器件內部準確的光場與載流子激發分布，并可以進一步計算出器件內部的載流子收集傳輸情況，獲得器件的完整伏安工作特性。以此為基礎，太陽能電池的四大基礎參數，即短路電流、開路電壓、填充因子和能量效率，都可以計算得出。在光學仿方面，微納尺寸構型的太陽能電池應該充分考慮其中的光學共振模式所帶來的影響。借助器件模擬技術，可以為器件的形貌設計和材料選擇提供堅實的理論指導。
通過上面介紹過的例子我們看到，半導體器件模擬仿真在太陽能電池研究領域的巨大作用。優質的器件仿真可以顯著提高研究成果的理論完備性。
