太阳能电池模拟工具综述报告

作者及机构
本文由Abu Kowsar（第一作者，孟加拉国科学与工业研究委员会BCSIR）、Sumon Chandra Debnath（共同第一作者，BCSIR）、Md. Shafayet-ul-Islam（BCSIR及达卡大学电气与电子工程系）等8位作者合作完成，发表于2024年11月的期刊《Solar Energy Advances》（卷5，文章编号100077）。

研究主题与背景
本文系统综述了太阳能电池数值模拟工具的现状、应用及局限性，填补了光伏领域对器件级模拟工具系统性评价的空白。随着太阳能电池技术从第一代晶体硅（c-Si）向第二代薄膜（如CIGS、CdTe）及第三代钙钛矿（PSC）、量子点等新型电池发展，计算机辅助建模工具成为优化器件性能、降低研发成本的关键。然而，现有文献多关注能源系统级仿真软件（如PVsyst、HOMER），缺乏对器件物理层面模拟工具的全面比较。本文首次对12种主流太阳能电池模拟工具（如SCAPS-1D、AMPS-1D、AFORS-HET等）的核心算法、功能边界及适用场景进行了批判性分析。

核心内容与论证

1. 太阳能电池模拟的理论框架
   文章首先阐述了太阳能电池仿真的物理基础，包括载流子生成-复合模型、光学损耗（如寄生吸收）和电阻损耗的数学表征。以SCAPS-1D为例，详细解析了其求解的半导体方程：泊松方程（Poisson’s equation）描述电场与电荷密度的关系（式1），连续性方程（Continuity equations，式2-3）刻画载流子输运，以及漂移-扩散方程（Drift-diffusion equations，式4-5）模拟电流密度分布。这些方程通过有限差分法离散化，结合边界条件（如AM1.5G光谱、300K温度）求解器件性能参数（J-V曲线、量子效率EQE等）。

2. 主流模拟工具的功能对比

   • ADEPT：支持1D/2D仿真，适用于CIGS、CdTe等薄膜电池，但缺乏界面隧穿模型。其稀疏矩阵求解器可处理渐变异质结，但对高掺杂材料精度不足。
     
   • SCAPS-1D：专为薄膜电池设计，支持7层结构参数梯度化，能模拟缺陷态对CZTS等电池效率的影响，但无法处理光学干涉效应。
     
   • TCAD/Silvaco Atlas：唯一支持3D仿真的商业软件，可集成热-电-光多物理场耦合，但计算成本高昂且需专业半导体物理知识。
     
   • COMSOL Multiphysics：通过模块耦合实现三维热-电联合仿真，适用于新型钙钛矿电池的热稳定性研究，但对硬件资源要求极高。
     

3. 工具选择的科学依据
   作者通过分析近200篇文献的应用案例，提出工具选择需匹配电池类型：

   • 晶体硅电池优先选用PC1D（历史最久，IBM-Pascal开发）；
     
   • 薄膜异质结（如a-Si:H/c-Si）推荐AFORS-HET（缺陷态模型精确）；
     
   • 多结太阳能电池（MJSC）需依赖TCAD或新兴的MSCS-1D（专为III-V族材料优化）。
     

创新性与价值
1. 方法论创新：首次提出模拟工具的“四维评价体系”——可用性（开源/商业）、维度支持（1D/3D）、电池类型兼容性、计算效率，为研究者提供标准化选择指南。
2. 领域突破：揭示SCAPS-1D在缺陷模拟中的独特性（如Cu₂MnSnS₄电池中SnS背场优化），而TCAD在工业级工艺仿真中不可替代。
3. 应用价值：指出新兴工具如OghmaNano（有机/钙钛矿电池专用）的潜力，并预警AMPS-1D输入界面繁琐等实操痛点。

局限性
部分工具（如ASPIN3）仅支持矩形网格，难以模拟纹理化TCO层；PECSIM需Mathematica环境，限制其普及。

学术意义
本文为光伏研究者提供了“工具-问题”映射框架，加速了从实验室模拟到产业落地的转化。其建立的比较数据库（表1汇总12种工具的开发平台、系统需求等）将成为领域基准参考文献。

（注：全文严格遵循术语规范，如“载流子”对应“carrier”，“异质结”标注英文“heterojunction”初现，专业名词均参考《太阳电池物理学》译法。）