空间太阳能电池热光电一体化仿真测试方法与流程

本发明涉及太阳能电池仿真测试，尤其涉及一种空间太阳能电池热光电一体化仿真测试方法。

背景技术：

1、空间太阳能电池是空间飞行器的重要能源，空间太阳能电池的稳定运行与空间飞行器的正常工作紧密关联。由于空间环境温度极低，太阳能电池在未受太阳照射时通常是低温运行；当太阳能电池受到太阳照射时，因空间环境没有大气的保护，太阳能电池接收到的太阳辐照显著高于地面环境下的太阳辐照，容易导致太阳能电池高温运行。可见，空间太阳能电池运行时处于低温到高温的复杂热环境中，使得太阳能电池的温度变化较大。

2、太阳能电池的温度往往影响着太阳能电池的介电特性、载流子扩散系数、半导体禁带、载流子迁移率和复合系数等电学参数，这就使得太阳能电池的光电特性与温度紧密耦合。然而，现有技术中，通常是对太阳能电池的光学特性和电学特性进行仿真模拟，并未将温度场系统地融入太阳能电池建模仿真研究中，无法获得更贴近真实空间环境中太阳能电池的工作性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种空间太阳能电池热光电一体化仿真测试方法，将温度场系统地融入太阳能电池建模仿真研究中，可以获得更贴近真实空间环境中太阳能电池的工作性能。

2、为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种空间太阳能电池热光电一体化仿真测试方法，包括：

4、根据太阳能电池的材料，构建电学参数对温度的响应函数；且所述电学参数包括介电常数、禁带宽度、载流子迁移率、载流子扩散系数和复合系数；

5、根据所述太阳能电池的结构、和所述电学参数对温度的响应函数，分别构建所述太阳能电池的温度场仿真模型、光谱仿真模型和光电转换仿真模型；以及根据所述电学参数对温度的响应函数，对所述温度场仿真模型、所述光谱仿真模型和所述光电转换仿真模型进行同步迭代求解，以获取所述太阳能电池的温度、光谱吸收率、光谱反射率、光生载流子产生率、光生电流和光电转换效率。

6、可选地，构建所述介电常数对温度的响应函数的步骤包括：

7、设置至少两个温度测量点；

8、通过椭偏仪测量所述太阳能电池材料在所述温度测量点的介电常数；

9、利用线性插值法并根据所述太阳能电池材料在所述温度测量点的介电常数，构建所述介电常数对温度的响应函数。

10、可选地，所述介电常数对温度的响应函数为：

11、εi＝εi1+(ti-ti1)(ti1-ti2)/(εi1-εi2)

12、其中，εi表示所述太阳能电池材料在温度ti处的介电常数；ti1和ti2表示与温度ti相邻的两个温度测量点，且ti1＜ti＜ti2；εi1表示所述太阳能电池材料在温度测量点ti1的介电常数；εi2表示所述太阳能电池材料在温度测量点ti2的介电常数。

13、可选地，所述禁带宽度对温度的响应函数为：

14、

15、其中，eg(ti)表示所述太阳能电池材料在温度ti处的禁带宽度；eg(0)表示所述太阳能电池材料在0k处的禁带宽度；α和β为常数；

16、所述载流子迁移率对温度的响应函数为：

17、

18、

19、其中，μn表示温度ti对应的n型载流子迁移率；μp表示温度ti对应的p型载流子迁移率；tn＝ti/300；an,min、βn,min、an,0、βn,0、an,ref、βn,ref、an,d、βn,d表示n型载流子迁移率对温度的响应系数；ap,min、βp,min、ap,0、βp,0、ap,ref、βp,ref、ap,d、βp,d表示p型载流子迁移率对温度的响应系数；na表示受主浓度，nd表示施主浓度；

20、所述载流子扩散系数对温度的响应函数为：

21、

22、

23、其中，dn表示温度ti对应的n型载流子扩散系数；dp表示温度ti对应的p型载流子扩散系数；kb表示波耳兹曼常数；q表示电子电量；

24、所述复合系数对温度的响应函数为：

25、r(ti)＝rrad(ti)+rsrh(ti)+raug(ti)+rsurf(ti)

26、

27、

28、

29、

30、其中，r(ti)表示温度ti对应的复合系数；rrad(ti)、rsrh(ti)、raug(ti)、rsurf(ti)分别为温度ti对应的辐射复合、srh复合、俄歇复合和表面复合；b0、τ0、c0、s0分别为温度300k时辐射复合系数、srh复合系数、俄歇复合系数和表面复合速率，n为电子浓度，p为空穴浓度，ni为本征载流子浓度；ei为半导体费米能级，et为缺陷能级，ets为表面能级。

31、可选地，构建所述太阳能电池的温度场仿真模型的步骤包括：

32、对所述太阳能电池进行网格划分，且网格线交叉点为网格节点；

33、将三维纳维-斯托克斯方程(n-s方程，navier-stokes equations)离散，以得到离散方程；且所述离散方程为：

34、aptp＝aete+awtw+antn+asts+abtb+aftf+b

35、其中，tp表示待求网格节点的温度；te、tw、tn、ts、tb、tf表示待求网格节点周围六个网格节点的温度；ap＝ae+aw+an+as+ab+af；ke、kw、kn、ks、kf、kb分别为温度场网格单元六个面处的热导率，ae、aw、an、as、af、ab分别为网格单元六个面的面积，δde、δdw、δdn、δds、δdf、δdb分别为与网格六个面相交的网格棱长，ρ为密度，cp为比热容，δt为时间步长，δv为网格体积；

36、将所述待求网格节点的温度作为列向量，并将所述离散方程表示为矩阵形式；

37、通过高斯-赛德尔(gauss-seidel)迭代法对矩阵形式的所述离散方程进行求解，以得到所述太阳能电池的温度值。

38、可选地，构建所述太阳能电池的光谱仿真模型的步骤包括：

39、采用时域有限差分方法对麦克斯韦方程组(maxwell's equations)进行求解，以得到所述太阳能电池的光谱吸收率、光谱反射率和光生载流子产生率的表达式；

40、所述太阳能电池的光谱反射率的表达式为：

41、r＝r·r*

42、其中，r为所述太阳能电池的光谱反射率；r为利用fdtd方法计算的反射系数，r*为反射系数的共轭。

43、所述太阳能电池的光谱吸收率的表达式为：

44、α′＝1-r·r*

45、其中，α′为所述太阳能电池的光谱吸收率；

46、所述太阳能电池的光生载流子产生率的表达式为：

47、

48、其中，g(r)表示所述太阳能电池的光生载流子产生率；r表示所述太阳能电池的节点位移；λg表示截至波长，由所述太阳能电池的禁带宽度确定；λmin表示能被太阳能电池进行光电转换的入射光最小波长；im(ε(λ))表示介电常数虚部；ε(λ)表示所述太阳能电池材料的介电常数；e(r,λ)表示电场强度；表示普朗克常数；iam0(λ)表示空间环境太阳辐射强度；λ表示空间环境太阳辐射光的波长。

49、可选地，构建所述太阳能电池的光电转换仿真模型的步骤包括：

50、利用泊松方程、连续性方程以及漂移-扩散方程构建光生载流子的传输方程；且所述光生载流子的传输方程为

51、

52、其中，ε为所述太阳能电池材料的介电常数；g为fdtd方法计算的与禁带宽度有关的光学产生率；r表示所述太阳能电池材料的复合，为辐射复合、俄歇复合、srh复合、表面复合的总和，包含了载流子迁移率、载流子扩散系数和复合系数、载流子寿命等电学参数。

53、利用有限元方法对所述光生载流子的传输方程进行求解，以得到各网格节点的电子数密度n、空穴数密度p和电势φ，进一步可得到所述太阳能电池的光生电流；且所述太阳能电池的光生电流的表达式为

54、

55、其中，j表示所述太阳能电池的光生电流；

56、根据所述太阳能电池的电流与电压，获取最大输出功率，以得到所述太阳能电池的光电转换效率；且所述光电转换效率的表达式为

57、

58、其中，pce表示所述太阳能电池的光电转换效率；(jv)max表示最大输出功率；psolar为太阳常数，地面上为1000w/m2。

59、可选地，根据所述电学参数对温度的响应函数，对所述温度场仿真模型、所述光谱仿真模型和所述光电转换仿真模型进行同步迭代求解的步骤包括：

60、根据所述温度场仿真模型，获取初始的所述太阳能电池的温度；

61、根据初始的所述太阳能电池的温度和所述电学参数对温度的响应函数，计算初始的所述太阳能电池的光谱吸收率、光谱反射率、光生载流子产生率、光生电流和光电转换效率；

62、将初始的所述太阳能电池的光谱吸收率、光谱反射率和光电转换效率代入所述温度场仿真模型，通过温度场仿真边界条件，获取第一次迭代的所述太阳能电池的温度；

63、根据第一次迭代的所述太阳能电池的温度和所述电学参数对温度的响应函数，计算第一次迭代的所述太阳能电池的光谱吸收率、光谱反射率、光生载流子产生率、光生电流和光电转换效率；

64、将第一次迭代的所述太阳能电池的光谱吸收率、光谱反射率和光电转换效率代入所述温度场仿真模型，通过所述温度场仿真边界条件，获取第二次迭代的所述太阳能电池的温度；

65、根据第二次迭代的所述太阳能电池的温度和所述电学参数对温度的响应函数，计算第二次迭代的所述太阳能电池的光谱吸收率、光谱反射率、光生载流子产生率、光生电流和光电转换效率；

66、判断第n次迭代的所述太阳能电池的温度、光谱吸收率和光生电流是否满足预设收敛条件，且满足预设收敛条件时，将第n次迭代的所述太阳能电池的温度、光谱吸收率、光谱反射率、光生载流子产生率、光生电流和光电转换效率作为仿真测试结果；且n为正整数且n≥2。

67、可选地，所述温度场仿真边界条件为：

68、

69、其中，v和v表示任意矢量函数；ui表示节点处的值；表示形状函数；d表示所述空间太阳能电池的区域；n表示边界处向外的法向量；αs表示太阳辐射的全波长吸收系数；es表示空间环境太阳直接辐照密度；φs表示太阳辐射方向角余弦；ηs表示太阳能电池光电转换效率；αir表示地球红外辐射全波长吸收率；ee表示地球等效热流密度；φe表示地球辐射角系数；re表示地球表面对太阳辐射的平均反射率；φe-s表示地球反照角系数；fi,j表示部件外表面面元辐射传递系数；σ表示斯忒藩·波尔兹曼常数；ε表示材料表面全波长半球发射率。

70、可选地，所述预设收敛条件包括：

71、第n次迭代的所述太阳能电池本征材料中心点的温度和第n-1次迭代的所述太阳能电池本征材料中心点的温度两者差异小于0.01k；

72、第n次迭代的所述太阳能电池的光谱吸收率和第n-1次迭代的所述太阳能电池的光谱吸收率两者差异小于0.001；以及

73、第n次迭代的所述太阳能电池的光生电流和第n-1次迭代的所述太阳能电池的光生电流差异两者小于0.001ma/cm2。

74、本发明与现有技术相比至少具有以下优点之一：

75、本发明提供的一种空间太阳能电池热光电一体化仿真测试方法，可以根据太阳能电池的材料构建电学参数对温度的响应函数；根据太阳能电池的结构和电学参数对温度的响应函数，可以分别构建太阳能电池的温度场仿真模型、光谱仿真模型和光电转换仿真模型；通过对温度场仿真模型、光谱仿真模型和光电转换仿真模型进行同步迭代求解，可以获取太阳能电池的温度、光谱吸收率、光谱反射率、光生载流子产生率、光生电流和光电转换效率。本发明将温度场系统地融入太阳能电池建模仿真研究中，可以获得更贴近真实空间环境中太阳能电池的工作性能。

76、本发明中电学参数对温度的响应函数是温度场仿真模型与光谱仿真模型、光电转换仿真模型的传递函数，可以实现温度场仿真模型与光谱仿真模型、光电转换仿真模型的耦合，从而能够将温度场系统地融入太阳能电池建模仿真研究中。

77、本发明适用于空间各种太阳能电池的仿真，可以根据空间实际环境或太阳能电池实际运行的热环境，获取太阳能电池在轨光电转换性能，是一种快速、准确的太阳能电池转换效率获取方法，能够较好地支撑空间太阳能电池设计并显著降低设计研发成本。