钙钛矿硅叠层电池光吸收优化设计【字数：10370】
摘 要随着太阳能电池的不断发展，一种建立在钙钛矿材料上的叠层太阳能电池受到了研究者的广泛关注。在最近几年的一类新型太阳电池中，钙钛矿硅叠层电池是一个较为火热的研究发展方向。按照理论上来说，它的转换效率可以高达30%[1]以上。钙钛矿材料所具备的制备成本低，所用效率高的优点也越来越受更多研究者的青睐。在新型的高效电池中，叠层太阳能电池的光吸收效率虽然高，但是其中也存在着一些不足的结构方面的设计。本文主要用带有光栅结构的钙钛矿硅叠层电池的模型结构，对在加反射层和不加反射层时的光栅周期以及高度的参数模拟优化，来探究最佳的提高太阳能光吸收率的方法。同时也可再向前一步推动钙钛矿硅叠层电池的发展。
目录
1．引言 1
1.1 太阳能电池发展现状及趋势 1
1.2 钙钛矿材料概况 2
1.3 本文的主要内容 5
2．钙钛矿硅叠层电池简介 6
2.1 钙钛矿硅叠层电池性能 6
2.2钙钛矿硅叠层电池模型的建立 8
2.2.1理论基础 8
2.2.2模型建立 10
3．单光栅结构叠层电池 11
3.1光栅结构与光吸收 11
3.2 参数模拟分析 12
4．光栅复合结构叠层电池 15
4.1反射镜与光吸收 15
4.2 数据模拟分析 17
结 束 语 19
参考文献 20
致谢 21
1．引言
1.1 太阳能电池发展现状及趋势
太阳能电池，顾名思义，就是一种将太阳辐射能转换成电的发电形方式，是光生伏特效应的体现。对于光生伏特效应，它指的是当物体被光照射时，电荷在物体内部的分布状态会发生一定的变化，这样的变化会引起电流和电动势。在硅太阳能电池中，当光照射到硅太阳能电池的表面时会新的电子空穴对，在p n结内建电场的作用之下，空穴流向p区，电子流向n区，在电路接通后方可产生电流。
早在1839年，光生伏特效应就被法国科学家——A.E.Becquerel所研究出现。而光伏这个术语在1849年才被在英文中发现。世界上首块太阳能电池是1833年由科学家Charles Fritts制 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
备而成，它是一块由覆着极其薄的金层的硒半导体所构成的金属结[2,3]，但当时的期间只能起到1%的转化率。在时代科学技术的持续更新交替下，有关太阳能电池方面的技术也变得愈加完善。
社会经济发展的能源需求量在不断的增长，同其他大国一样，中国也面临着日益严重的能源供应不足问题。其中，化石燃料的大范围开采是导致环境污染问题的重要因素。在有限的能源和经济发展的双重制约下，环境保护问题已成为全球关注的要点。因此，开发多样化的新能源是各国政府的战略重点。于是太阳能电池的也变得愈加重要，世界各地的普遍关注与重视，这也是我国乃至全世界发展策略的重中之重。
太阳能作为可再生和清洁的能源，光伏能源是新能源和绿色能源的重要组成部分，2011年3月福岛核事故后进一步证实了这一需求。在技术的不断进步和各国推出的政策法规的推进之下，光伏产业已成为世界上发展最为快速的产业的其中之一。在过去的十年里年增长率接近40%[11]，把光的能量转变成为电能的太阳能电池是光电效应的基础。反观当下，全球太阳能光伏市场中占据百分之90比重的也是太阳能电池中的晶体硅太阳能电池，并且在本来的5年到10年之内，太阳能电池依旧是光伏市场的主导。为了推动全球的光伏产业的迅速发展，降低制备成本的主要办法则是进一步提升对太阳能波长更全面的吸收转换率。目前拥有的方法则是由高品质的硅片制备而成，这正是问题发展的关键所在，晶硅太阳能电池有着过高的成本。因此，在保证高效的转换下减少成本变得极其重要，这也是全球发展太阳能电池的关键所在。高效、长寿、低成本的的太阳能电池已经成为全球各地科研人员研究的总趋势。
总的来说，太阳能电池这一生态产业的迅速发展有利于国家的发展和人民的生活。规模经济是迄今为止世界范围内光伏发电产业的主要走向。扩大我国的太阳能电池的应用市场势在必行。因此，政府应从能源战略的角度制定政策来支持我国的太阳能电池产业，并对其发展进行规划。针对不同类型的太阳能电池，应根据这一战略进行投资，以加快技术创新，降低发电成本。这将使我国在未来大规模应用光伏能源中占据领先地位，并将我国从一个单纯的传统太阳能电池制造大国转变为一个充满活力的先进光伏产业强国。
1.2 钙钛矿材料概况
钙钛矿材料大多是为立方体或者八面体的结构，其外表光泽感十足，颜色分布是从浅色到棕色，它们丰富集中的存在于蚀变的辉石岩中[9]。钙钛矿隶属于陶瓷氧化物，它的分子通式用ABO3来表示。在钙钛矿石中的CaTiO3化合物中被最早发现，因为这个得名。
我们通常情况下用ABX3来表示钙钛矿材料的化学组成，在这之中，A、B以及X为不一样的原子或者化学基团。在通常情况下，一个简易的立方晶格可以由A、B或着X本身分别形成。 钙钛矿这一结构的初基晶胞由这样的三个原子的立方晶格结合而成。三维钙钛矿的直观晶体结构如图1.1(a)所示。B原子与X原子是六配位的，它们二者形成一个中心是B的八面体。用一个共享的X角可以互相连接BX6八面体，一个简易的立方晶格就由8个八面体相互连接而组成，就会显出一个八面体间隔，这个八面体间隔被原子A占据来保证晶体结构的稳定。通常，B原子与X原子通过轨道杂化存在极性共价相互作用，构成稳定的八面体[5]。所以，彼此连接的BX6八面体则为钙钛矿晶体的架构并且原子A对架构的稳定性有帮助。
由于只有一个角与两个最近的相邻八面体共享，因此通常会发生畸变和旋转，如图1.1(c)所示。在立方结构中，BXB的夹角为180°。当变形或旋转发生时，这个角小于180°。同一时间，钙钛矿晶格的对称性也会向低对称性去转变。这样一来，可知钙钛矿中通常存在晶格相变。实验发现，钙钛矿在高温下呈现立方结构，其晶体细胞可以构建为图1.1(b)中的破折号红色矩形。当对称性在较低温度下下降时，需要更大的晶体单元来反映晶体结构的周期性，如图1.1(c)所示。因此，对于不一样的晶体细胞，同一X射线衍射峰的米勒指数[14]是不一样的。
目录
1．引言 1
1.1 太阳能电池发展现状及趋势 1
1.2 钙钛矿材料概况 2
1.3 本文的主要内容 5
2．钙钛矿硅叠层电池简介 6
2.1 钙钛矿硅叠层电池性能 6
2.2钙钛矿硅叠层电池模型的建立 8
2.2.1理论基础 8
2.2.2模型建立 10
3．单光栅结构叠层电池 11
3.1光栅结构与光吸收 11
3.2 参数模拟分析 12
4．光栅复合结构叠层电池 15
4.1反射镜与光吸收 15
4.2 数据模拟分析 17
结 束 语 19
参考文献 20
致谢 21
1．引言
1.1 太阳能电池发展现状及趋势
太阳能电池，顾名思义，就是一种将太阳辐射能转换成电的发电形方式，是光生伏特效应的体现。对于光生伏特效应，它指的是当物体被光照射时，电荷在物体内部的分布状态会发生一定的变化，这样的变化会引起电流和电动势。在硅太阳能电池中，当光照射到硅太阳能电池的表面时会新的电子空穴对，在p n结内建电场的作用之下，空穴流向p区，电子流向n区，在电路接通后方可产生电流。
早在1839年，光生伏特效应就被法国科学家——A.E.Becquerel所研究出现。而光伏这个术语在1849年才被在英文中发现。世界上首块太阳能电池是1833年由科学家Charles Fritts制 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
备而成，它是一块由覆着极其薄的金层的硒半导体所构成的金属结[2,3]，但当时的期间只能起到1%的转化率。在时代科学技术的持续更新交替下，有关太阳能电池方面的技术也变得愈加完善。
社会经济发展的能源需求量在不断的增长，同其他大国一样，中国也面临着日益严重的能源供应不足问题。其中，化石燃料的大范围开采是导致环境污染问题的重要因素。在有限的能源和经济发展的双重制约下，环境保护问题已成为全球关注的要点。因此，开发多样化的新能源是各国政府的战略重点。于是太阳能电池的也变得愈加重要，世界各地的普遍关注与重视，这也是我国乃至全世界发展策略的重中之重。
太阳能作为可再生和清洁的能源，光伏能源是新能源和绿色能源的重要组成部分，2011年3月福岛核事故后进一步证实了这一需求。在技术的不断进步和各国推出的政策法规的推进之下，光伏产业已成为世界上发展最为快速的产业的其中之一。在过去的十年里年增长率接近40%[11]，把光的能量转变成为电能的太阳能电池是光电效应的基础。反观当下，全球太阳能光伏市场中占据百分之90比重的也是太阳能电池中的晶体硅太阳能电池，并且在本来的5年到10年之内，太阳能电池依旧是光伏市场的主导。为了推动全球的光伏产业的迅速发展，降低制备成本的主要办法则是进一步提升对太阳能波长更全面的吸收转换率。目前拥有的方法则是由高品质的硅片制备而成，这正是问题发展的关键所在，晶硅太阳能电池有着过高的成本。因此，在保证高效的转换下减少成本变得极其重要，这也是全球发展太阳能电池的关键所在。高效、长寿、低成本的的太阳能电池已经成为全球各地科研人员研究的总趋势。
总的来说，太阳能电池这一生态产业的迅速发展有利于国家的发展和人民的生活。规模经济是迄今为止世界范围内光伏发电产业的主要走向。扩大我国的太阳能电池的应用市场势在必行。因此，政府应从能源战略的角度制定政策来支持我国的太阳能电池产业，并对其发展进行规划。针对不同类型的太阳能电池，应根据这一战略进行投资，以加快技术创新，降低发电成本。这将使我国在未来大规模应用光伏能源中占据领先地位，并将我国从一个单纯的传统太阳能电池制造大国转变为一个充满活力的先进光伏产业强国。
1.2 钙钛矿材料概况
钙钛矿材料大多是为立方体或者八面体的结构，其外表光泽感十足，颜色分布是从浅色到棕色，它们丰富集中的存在于蚀变的辉石岩中[9]。钙钛矿隶属于陶瓷氧化物，它的分子通式用ABO3来表示。在钙钛矿石中的CaTiO3化合物中被最早发现，因为这个得名。
我们通常情况下用ABX3来表示钙钛矿材料的化学组成，在这之中，A、B以及X为不一样的原子或者化学基团。在通常情况下，一个简易的立方晶格可以由A、B或着X本身分别形成。 钙钛矿这一结构的初基晶胞由这样的三个原子的立方晶格结合而成。三维钙钛矿的直观晶体结构如图1.1(a)所示。B原子与X原子是六配位的，它们二者形成一个中心是B的八面体。用一个共享的X角可以互相连接BX6八面体，一个简易的立方晶格就由8个八面体相互连接而组成，就会显出一个八面体间隔，这个八面体间隔被原子A占据来保证晶体结构的稳定。通常，B原子与X原子通过轨道杂化存在极性共价相互作用，构成稳定的八面体[5]。所以，彼此连接的BX6八面体则为钙钛矿晶体的架构并且原子A对架构的稳定性有帮助。
由于只有一个角与两个最近的相邻八面体共享，因此通常会发生畸变和旋转，如图1.1(c)所示。在立方结构中，BXB的夹角为180°。当变形或旋转发生时，这个角小于180°。同一时间，钙钛矿晶格的对称性也会向低对称性去转变。这样一来，可知钙钛矿中通常存在晶格相变。实验发现，钙钛矿在高温下呈现立方结构，其晶体细胞可以构建为图1.1(b)中的破折号红色矩形。当对称性在较低温度下下降时，需要更大的晶体单元来反映晶体结构的周期性，如图1.1(c)所示。因此，对于不一样的晶体细胞，同一X射线衍射峰的米勒指数[14]是不一样的。
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