钙钛矿叠层太阳能电池的效率分析与模拟【字数：7367】
摘 要近年来，钙钛矿太阳能电池凭借迅猛的发展受到了全球光伏产业从业人员以及各国科学家的广泛关注。其高的太阳能转换效率、简单的制备工艺和低廉的制造成本使其成为学界和工业界炙手可热的“明星”。 本课题研究内容是关于钙钛矿太阳能电池的效率分析与模拟。我们以宽带透明CH3NH3PbI3太阳能电池和四端CH3NH3PbI3 / c-Si串联太阳能电池这两种不同类型的钙钛矿太阳能电池为例，分析其叠层结构设计，对两者进行模拟仿真与数据分析，数据表明了宽带透明CH3NH3PbI3太阳能电池中MoOx / Ag参比电池良好的VOC和FF值，通过微调ITO沉积，IR透明电池的性能就可以提升到最先进的钙钛矿器件的水平；同时也能看出在最终的串联模块中，两个（顶部和底部）子模块将具有不同的最大功率点，这使得每个子模块单独连接到单独的逆变器是必需的。 因此，钙钛矿太阳能电池在能源领域有着巨大的应用潜力。本文以顶部电池的透射率、反射率和底部电池的外部量子效率等因素分析钙钛矿太阳能电池的功率损耗，让钙钛矿/ c-Si串联系统在不同状态和条件下比较电池的工作效率，指出影响钙钛矿太阳能电池工作效率的因素并指出提高效率的方法。
目录
1．引言 6
1.1 钙钛矿叠层太阳能电池的研究现状 6
1.2 研究钙钛矿叠层太阳能电池的目的和意义 6
2．钙钛矿太阳能电池 8
2.1 钙钛矿分类 8
2.1.1 ABX3型 8
2.1.2 有序型 8
2.1.3 阴离子亏损型 8
2.1.4 富阴离子型 8
2.2 叠层设计与背部结构 8
2.2.1 宽带透明CH3NH3PbI3太阳能电池的仿真分析 8
2.2.2 四端CH3NH3PbI3 / cSi串联太阳能电池的仿真分析 11
3.钙钛矿太阳能电池的工作效率 13
3.1目前的效率分析 13
3.2.效率极限 14
4.结语 17
5.参考文献 18
6.致谢 19
1．引言
1.1 钙钛矿叠层太阳能电池的研究现状
数十年来，晶体硅（cSi）太阳能电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
池一直占据着光伏市场的主导地位，占据了约90％的市场份额。最近，据报道，对于晶圆尺寸的器件，效率高达25.6％，接近cSi太阳能电池的单结极限约为29％。另外，光伏装置的成本主要与系统面积成比例，因此降低电价的关键驱动因素是模块效率（每面积功率）[1]。因此，需要能够以低成本制造实现超出cSi单结限制的超高效率的电池概念，以确保光伏电池与传统能源的长期竞争力。实现这一目标的最有希望的方法是构建基于cSi太阳能电池技术的双结串联太阳能电池，并结合具有更高带隙的高效太阳能电池。直到最近，缺乏与低成本处理兼容的合适的高效顶部电池阻碍了这种基于cSi的串联器件的制造。然而，随着有机 无机卤化物钙钛矿太阳能电池的兴起，这种情况最近急剧变化[2][16]。
自从它们首次作为光伏材料应用以来[3][18]，钙钛矿已经证明了它们的光伏潜力，迄今为止确认的太阳能电池效率高达20.1％[4]。它们可以是溶液[5]或真空处理[6]，允许简单且成本有效的器件制造，并且可以沉积在玻璃上以及柔性材料上并且在<150℃的温度下制备[7]，特别适用于以Si为基础的应用。据报道，串联太阳能电池是甲基铵三碘化铅（CH3NH3PbI3）在~1.50 eV和1.57 eV之间的带隙。到目前为止，CH3NH3PbI3是具有最佳效率的钙钛矿材料，具有陡峭的吸收边缘和极低的子间隙吸收。这使得CH3NH3PbI3成为双结串联太阳能电池中高带隙顶部电池的有希望的候选者，其底部电池由诸如铜铟镓硒（CIGS）或cSi的低带隙材料制成。
串联装置可以设计为独立连接的电池（四端子）的机械堆叠或单片装置（双端子）。 在四端串联装置中，沉积在玻璃上的钙钛矿模块也可以用作封装底部电池的模块玻璃。这种四端串联装置仅需要对cSi底部电池进行微小的改变，因此可以在短期内显着促进钙钛矿光伏电池的市场准入。单片串联器件需要两个单元的适配及其与重组结的互连，因此代表了更长期实现的更先进的器件。
1.2 研究钙钛矿叠层太阳能电池的目的和意义
介孔太阳能电池（MSCs），包括染料敏化太阳能电池（DSSCs）和钙钛矿太阳能电池（PSC），形成了一类重要的第三代太阳能电池或“新兴光伏电池（PVs）”。对于PSC，甲基铵卤化铅（MAPbX3，X = I，Br，Cl）钙钛矿是最常用的光吸收剂[8]。
尽管看似有很多可以材料可以用来制作高效太阳能电池，硅基太阳能电池的主导地位在短期内几乎不可撼动，因为相关工艺已经非常纯熟，产业化生产和市场开拓也已经进入到一个非常成熟的阶段，但是面对石化能源的竞争，硅基太阳能电池技术在商业上劣势非常明显，即使持续不断的技术进步一直在降低其成本，2012年，全球总能源消耗中，光伏技术提供的能源占比只有0.21%[9]。
硅基太阳能电池甚至已经发展到安装电池组件的成本还要高过制造电池组件的成本，所以要进一步降低成本，必须提高硅基太阳能电池的效率，使得在实现相同光转换能力的情况下减少安装太阳能电池的数量。
然而，发展到现阶段，任何能提高硅基太阳能电池效率的方法都要消耗巨大的资本，而硅基光伏市场却已经失去了吸引如此大量资金流入的竞争力。于是低成本叠层太阳能电池在这种背景下成为领域的希望之星。
为了提高对能量较高光源的利用率，可以在硅基（或者其他）太阳能电池上再叠加使用一种宽带隙的半导体，形成所谓的叠层太阳能电池。这种半导体的带隙理想应该在1.7 eV~1.8 eV，另外应具备成本较低，光电性能良好，且易于加工处理等优势。将基于这种半导体的太阳能电池用于叠层太阳能电池中，是一种能便宜而又迅速提高硅基太阳能电池效率的手段。
很可惜的是，满足上述条件的半导体材料几乎没有,一直到卤素钙钛矿出现了。卤素钙钛矿成本低，制备工艺简单，带隙大幅可调且光电性能极其优良，不正是我们苦苦寻找的材料吗？钙钛矿在叠层太阳能电池中的应用研究由此拉开大幕。
2．钙钛矿太阳能电池
2.1 钙钛矿分类
典型钙钛矿具有ABX3型的化学组成[10]。从钙钛矿的化学组成角度，考虑到A位、B位以及X位的种类、数量、有序无序替代等因素，我们可以将ABX3型钙钛矿型化合物划分为多种类型。有原型（ABX3），有序型（A位有序、B位有序、AB双位有序等），阴离子亏损型（A2B2X5），富阴离子型（A2B2X7）等。
2.1.1 ABX3型
典型例子如CaTiO3，SrTiO3等，满足理想化学式ABX3，其晶体结构不一定是理想的立方结构，也可以有略微的畸变，如KNbO3，KCuO3，LaAlO3，RbMnF3。如果有类似同象替代发生，则会形成结构畸变的固溶体。
2.1.2 有序型
与ABX3原型类似，满足A，B，X的化学计量比，但在A位和/或B位存在离子的有序分布，可用一个通式（A’1xA’’）(B’1yB’’y)X3表示。具体的例子，如A位有序型Na0.5La0.5TiO3，B位有序型Ba4(NaSb3)O12，AB双位有序型BaLaZnRuO6等等。
目录
1．引言 6
1.1 钙钛矿叠层太阳能电池的研究现状 6
1.2 研究钙钛矿叠层太阳能电池的目的和意义 6
2．钙钛矿太阳能电池 8
2.1 钙钛矿分类 8
2.1.1 ABX3型 8
2.1.2 有序型 8
2.1.3 阴离子亏损型 8
2.1.4 富阴离子型 8
2.2 叠层设计与背部结构 8
2.2.1 宽带透明CH3NH3PbI3太阳能电池的仿真分析 8
2.2.2 四端CH3NH3PbI3 / cSi串联太阳能电池的仿真分析 11
3.钙钛矿太阳能电池的工作效率 13
3.1目前的效率分析 13
3.2.效率极限 14
4.结语 17
5.参考文献 18
6.致谢 19
1．引言
1.1 钙钛矿叠层太阳能电池的研究现状
数十年来，晶体硅（cSi）太阳能电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
池一直占据着光伏市场的主导地位，占据了约90％的市场份额。最近，据报道，对于晶圆尺寸的器件，效率高达25.6％，接近cSi太阳能电池的单结极限约为29％。另外，光伏装置的成本主要与系统面积成比例，因此降低电价的关键驱动因素是模块效率（每面积功率）[1]。因此，需要能够以低成本制造实现超出cSi单结限制的超高效率的电池概念，以确保光伏电池与传统能源的长期竞争力。实现这一目标的最有希望的方法是构建基于cSi太阳能电池技术的双结串联太阳能电池，并结合具有更高带隙的高效太阳能电池。直到最近，缺乏与低成本处理兼容的合适的高效顶部电池阻碍了这种基于cSi的串联器件的制造。然而，随着有机 无机卤化物钙钛矿太阳能电池的兴起，这种情况最近急剧变化[2][16]。
自从它们首次作为光伏材料应用以来[3][18]，钙钛矿已经证明了它们的光伏潜力，迄今为止确认的太阳能电池效率高达20.1％[4]。它们可以是溶液[5]或真空处理[6]，允许简单且成本有效的器件制造，并且可以沉积在玻璃上以及柔性材料上并且在<150℃的温度下制备[7]，特别适用于以Si为基础的应用。据报道，串联太阳能电池是甲基铵三碘化铅（CH3NH3PbI3）在~1.50 eV和1.57 eV之间的带隙。到目前为止，CH3NH3PbI3是具有最佳效率的钙钛矿材料，具有陡峭的吸收边缘和极低的子间隙吸收。这使得CH3NH3PbI3成为双结串联太阳能电池中高带隙顶部电池的有希望的候选者，其底部电池由诸如铜铟镓硒（CIGS）或cSi的低带隙材料制成。
串联装置可以设计为独立连接的电池（四端子）的机械堆叠或单片装置（双端子）。 在四端串联装置中，沉积在玻璃上的钙钛矿模块也可以用作封装底部电池的模块玻璃。这种四端串联装置仅需要对cSi底部电池进行微小的改变，因此可以在短期内显着促进钙钛矿光伏电池的市场准入。单片串联器件需要两个单元的适配及其与重组结的互连，因此代表了更长期实现的更先进的器件。
1.2 研究钙钛矿叠层太阳能电池的目的和意义
介孔太阳能电池（MSCs），包括染料敏化太阳能电池（DSSCs）和钙钛矿太阳能电池（PSC），形成了一类重要的第三代太阳能电池或“新兴光伏电池（PVs）”。对于PSC，甲基铵卤化铅（MAPbX3，X = I，Br，Cl）钙钛矿是最常用的光吸收剂[8]。
尽管看似有很多可以材料可以用来制作高效太阳能电池，硅基太阳能电池的主导地位在短期内几乎不可撼动，因为相关工艺已经非常纯熟，产业化生产和市场开拓也已经进入到一个非常成熟的阶段，但是面对石化能源的竞争，硅基太阳能电池技术在商业上劣势非常明显，即使持续不断的技术进步一直在降低其成本，2012年，全球总能源消耗中，光伏技术提供的能源占比只有0.21%[9]。
硅基太阳能电池甚至已经发展到安装电池组件的成本还要高过制造电池组件的成本，所以要进一步降低成本，必须提高硅基太阳能电池的效率，使得在实现相同光转换能力的情况下减少安装太阳能电池的数量。
然而，发展到现阶段，任何能提高硅基太阳能电池效率的方法都要消耗巨大的资本，而硅基光伏市场却已经失去了吸引如此大量资金流入的竞争力。于是低成本叠层太阳能电池在这种背景下成为领域的希望之星。
为了提高对能量较高光源的利用率，可以在硅基（或者其他）太阳能电池上再叠加使用一种宽带隙的半导体，形成所谓的叠层太阳能电池。这种半导体的带隙理想应该在1.7 eV~1.8 eV，另外应具备成本较低，光电性能良好，且易于加工处理等优势。将基于这种半导体的太阳能电池用于叠层太阳能电池中，是一种能便宜而又迅速提高硅基太阳能电池效率的手段。
很可惜的是，满足上述条件的半导体材料几乎没有,一直到卤素钙钛矿出现了。卤素钙钛矿成本低，制备工艺简单，带隙大幅可调且光电性能极其优良，不正是我们苦苦寻找的材料吗？钙钛矿在叠层太阳能电池中的应用研究由此拉开大幕。
2．钙钛矿太阳能电池
2.1 钙钛矿分类
典型钙钛矿具有ABX3型的化学组成[10]。从钙钛矿的化学组成角度，考虑到A位、B位以及X位的种类、数量、有序无序替代等因素，我们可以将ABX3型钙钛矿型化合物划分为多种类型。有原型（ABX3），有序型（A位有序、B位有序、AB双位有序等），阴离子亏损型（A2B2X5），富阴离子型（A2B2X7）等。
2.1.1 ABX3型
典型例子如CaTiO3，SrTiO3等，满足理想化学式ABX3，其晶体结构不一定是理想的立方结构，也可以有略微的畸变，如KNbO3，KCuO3，LaAlO3，RbMnF3。如果有类似同象替代发生，则会形成结构畸变的固溶体。
2.1.2 有序型
与ABX3原型类似，满足A，B，X的化学计量比，但在A位和/或B位存在离子的有序分布，可用一个通式（A’1xA’’）(B’1yB’’y)X3表示。具体的例子，如A位有序型Na0.5La0.5TiO3，B位有序型Ba4(NaSb3)O12，AB双位有序型BaLaZnRuO6等等。
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