钙钛矿叠层太阳电池效率研究【字数：9525】
摘 要一段时间以来,钙钛矿太阳电池由于其独特的性能在光伏领域引发了广泛的研究热潮，因为其不仅具有较宽的光谱响应、同时其载流子扩散距离也较长。根据最新的研究数据显示,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经突破了22%。尽管如此，钙钛矿太阳电池依旧面临一系列问题，例如稳定性不高、成本较高、以及效率的进一步提升等。效率和稳定性对钙钛矿太阳电池能否实现商业化起着至关重要的作用,除此之外我们也可以通过它们去考察这一钙钛矿太阳能电池的持续性。鉴于目前迅速发展的第三代钙钛矿太阳能电池,我们研究有机-无机卤化物钙钛矿/晶体硅串联太阳能电池的效率潜力，这是一种新型光伏器件，旨在通过超高转换效率长期降低成本。甲基铵三碘化铅钙钛矿太阳能电池由于其合适的带隙、高光电压和低子带隙吸收而作为硅基叠层器件中的顶部电池具有极大意义。在这篇文章中，我们研究了MALI/硅叠层太阳能电池的光学效应并推导出其基本极限效率。我们分析了四端和二端结构中理想的MALI/硅叠层结构(无寄生吸收，100 %外部量子效率)，通过软件仿真的方式对太阳能电池的结构进行优化，其目的在于极大限度地提高钙钛矿太阳能电池的转换效率，同时增强其稳定性。
目录
第一章 绪论 1
1.1太阳能电池的研究背景 1
1.2太阳能电池的发展历程 1
1.3钙钛矿太阳电池概述 2
1.4.金属卤化物钙钛矿太阳能电池简介 4
1.5主要研究内容 5
第二章 基于钙钛矿叠层太阳能电池效率的研究 6
2.1引言 6
2.2实验方法 6
2.3实验假设 7
2.4太阳能电池模型 7
2.5光控部分 10
2.6 叠层效率部分 13
第三章 结论 17
致谢 18
参考资料 19
绪论
1.1太阳能电池研究背景
太阳能电池是一种可以直接实现光能到电能转换的装置，而这种装置则是根据半导体的光生伏特效应进行一系列发电的。如今，太阳能电池已朝向大规模商业化发展，但仍存在着成本高、效率低等一系列问题。纵观全世界，各国都开始逐步将新能源上升到国家战略高度，投入大量人力物力，在种种新能源领域内 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
，太阳能电池更是占了一席余地。可以说，太阳能电池的发展已经迎来了黄金时代，但这同时也意味着更大的挑战。光伏发电作为一项重要的未来能源生产技术正在兴起，为了充分发挥这一潜力，有必要降低太阳能电池的制造成本同时提高其工作效率。
1.2太阳能电池的发展历程
图1.2是美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）给出的目前太阳能电池的发展历程，其内容覆盖了几种太阳能电池的最高转换效率。太阳能电池可以按其发电方式、结构等进行一系列分类，这里我们利用材料6对它们进行以下分类：
（1）第一代硅基太阳能电池，如今随着科技的不断进步，对于此类电池的加工工艺已经相当成熟，因此此类电池比较容易容易制备，市场化程度较高，这类太阳能电池主要由单晶硅、多晶硅及其与以非晶硅复合为基础的太阳能电池组成。太阳能制备工艺的不断进步，目前第一代硅基太阳能电池的实验室效率可以达到25％以上，生产成本也大幅度降低。
（2）第二代太阳能电池主要指的是多元化合物薄膜太阳能电池，这类电池主要涵盖了GaAs、铜铟镓硒CIGS、Inp、 碲化镉CdTe太阳能电池等。[]此类电池的光吸收层与第一代太阳能电池相比较很薄，因此制备这类电池并不需要太多的原材料，因而其光电转换效率较高且稳定性较好。目前业内纷纷把目光投向了这类电池，有着十分光明的前景，不仅如此，此类电池还拥有十分广泛的应用范围，可以应用在各种领域。然而，生产该类电池的原材料十分稀少，因此价格比较昂贵，同时这类电池的原材料还具有毒性，导致该类电池难以实现大面积的推广使用，在一定程度上限制了其发展。
（3）第三代新型太阳能电池，主要涵盖了钙钛矿太阳能电池、量子点太阳能电池、染料敏化太阳能电池等。目前随着科技的不断进步，人们对新一代太阳能电池的研究十分迫切，并在这一领域展开了激烈的研究探讨，人们对此类电池提出了一系列要求，例如要求具有更高的光电转效率、材料更加的安全可靠、价格低廉容易获取，并且使用周期更长。然而受到一系列的因素制约，目前对于新一代太阳能电池的研制大多还处于实验室阶段，距离它们真正走进市场还有很长一段时间。最近一段时间以来，根据报道，金属卤化物钙钛矿由于其单结记录效率的快速增长超过20%而备受关注。然而，金属卤化物—钙钛矿作为一类仅有的独特的太阳能电池材料：具有较小能量损失的可溶液处理的大带隙材料，值得人们进一步研究。这种材料的制备非常简单有效，而且价格十分便宜，便于大规模商业生产。然而作为新一代太阳能电池，稳定性和效率肯定是首当其冲的决定性因素，一旦得到解决，钙钛矿太阳能电池在未来将具有难以想象的发展前景。目前科学家们提出了一种新出现的方法，这种方法是利用金属纳米粒子散射对太阳能电池光陷阱的影响进行散射。
图 1.2太阳能电池分类与研究进展
1.3钙钛矿太阳电池概述
1.3.1钙钛矿太阳电池器件结构
平面异质结结构 介孔结构
图1.3.1 钙钛矿的器件结构
通常而言，我们可以按照钙钛矿太阳能电池结构的不同，将它们分为如下两类：平面异质型和介孔型（如图1.3.1）。
平面异质结结构。平面异质结结构和有机聚合物太阳能电池的结构十分相像，与介孔结构的钙钛矿电池相比，平面异质结结构的电池有着相对较高的开路电压，同时它们十分容易制备。在这种电池结构中，N型材料和P型材料中间夹杂着的部分我们称之为钙钛矿层。由于我们较难控制钙钛矿膜的形貌，同时器件的光电转换效率在很大程度上取决于钙钛矿膜质量的高低，因此其器件重复性较差。
介孔结构。在这种电池结构中，我们按照从上至下的顺序来看，应该分别为TiO2致密层、TiO2多孔层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极和透明电极（FTO）。[]这里，TiO2致密层主要被用来阻挡空穴，但同时其还能起到对传输电子的收集作用，TiO2多孔层同时兼顾了传输电子和支撑整个框架的两个不同的作用。空穴传输材料用来传输空穴，其主要位于钙钛矿层的上方。由于TiO2多孔层与钙钛矿层间的孔洞里会填充一部分空穴传输材料，然而由于这部分空穴传输材料的存在，这会造成TiO2颗粒与空穴传输层的直接接触，进一步产生漏电流，所以该器件的开路电压不是很高。
1.3.2钙钛矿太阳电池的关键材料
电子传输材料。目前由于钙钛矿太阳能电池生长制备工艺的不断改进，钙钛矿太阳能电池实际转换效率正逐渐趋近于实验室理论效率。为了达到对钙钛矿太阳能电池性能的进一步完善，我们必须对整个器件内的载流子动力学过程进行一个准确、精细的控制。[]目前TiO2主要被用来作为钙钛矿太阳能电池的电子传输材料，而这一切则是因为其有利于电子注入的CBM（conduction band minimum,导带底)为4.1eV。根据最新的研究，我们可以用很多方法提高TiO2的电子迁移率，但其中最有效的则是通过掺杂的方式来实现。如因其具有高导电率同时其逸出功介于FTO和TiO2之间，Snaith等用石墨烯/TiO2纳米颗粒复合材料作为电子传输层，以此进一步达到对电子传输性能的提高，使其光电转换效率高达15.6%同时提高电池的短路电流（）和填充因子（FF）。
目录
第一章 绪论 1
1.1太阳能电池的研究背景 1
1.2太阳能电池的发展历程 1
1.3钙钛矿太阳电池概述 2
1.4.金属卤化物钙钛矿太阳能电池简介 4
1.5主要研究内容 5
第二章 基于钙钛矿叠层太阳能电池效率的研究 6
2.1引言 6
2.2实验方法 6
2.3实验假设 7
2.4太阳能电池模型 7
2.5光控部分 10
2.6 叠层效率部分 13
第三章 结论 17
致谢 18
参考资料 19
绪论
1.1太阳能电池研究背景
太阳能电池是一种可以直接实现光能到电能转换的装置，而这种装置则是根据半导体的光生伏特效应进行一系列发电的。如今，太阳能电池已朝向大规模商业化发展，但仍存在着成本高、效率低等一系列问题。纵观全世界，各国都开始逐步将新能源上升到国家战略高度，投入大量人力物力，在种种新能源领域内 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
，太阳能电池更是占了一席余地。可以说，太阳能电池的发展已经迎来了黄金时代，但这同时也意味着更大的挑战。光伏发电作为一项重要的未来能源生产技术正在兴起，为了充分发挥这一潜力，有必要降低太阳能电池的制造成本同时提高其工作效率。
1.2太阳能电池的发展历程
图1.2是美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）给出的目前太阳能电池的发展历程，其内容覆盖了几种太阳能电池的最高转换效率。太阳能电池可以按其发电方式、结构等进行一系列分类，这里我们利用材料6对它们进行以下分类：
（1）第一代硅基太阳能电池，如今随着科技的不断进步，对于此类电池的加工工艺已经相当成熟，因此此类电池比较容易容易制备，市场化程度较高，这类太阳能电池主要由单晶硅、多晶硅及其与以非晶硅复合为基础的太阳能电池组成。太阳能制备工艺的不断进步，目前第一代硅基太阳能电池的实验室效率可以达到25％以上，生产成本也大幅度降低。
（2）第二代太阳能电池主要指的是多元化合物薄膜太阳能电池，这类电池主要涵盖了GaAs、铜铟镓硒CIGS、Inp、 碲化镉CdTe太阳能电池等。[]此类电池的光吸收层与第一代太阳能电池相比较很薄，因此制备这类电池并不需要太多的原材料，因而其光电转换效率较高且稳定性较好。目前业内纷纷把目光投向了这类电池，有着十分光明的前景，不仅如此，此类电池还拥有十分广泛的应用范围，可以应用在各种领域。然而，生产该类电池的原材料十分稀少，因此价格比较昂贵，同时这类电池的原材料还具有毒性，导致该类电池难以实现大面积的推广使用，在一定程度上限制了其发展。
（3）第三代新型太阳能电池，主要涵盖了钙钛矿太阳能电池、量子点太阳能电池、染料敏化太阳能电池等。目前随着科技的不断进步，人们对新一代太阳能电池的研究十分迫切，并在这一领域展开了激烈的研究探讨，人们对此类电池提出了一系列要求，例如要求具有更高的光电转效率、材料更加的安全可靠、价格低廉容易获取，并且使用周期更长。然而受到一系列的因素制约，目前对于新一代太阳能电池的研制大多还处于实验室阶段，距离它们真正走进市场还有很长一段时间。最近一段时间以来，根据报道，金属卤化物钙钛矿由于其单结记录效率的快速增长超过20%而备受关注。然而，金属卤化物—钙钛矿作为一类仅有的独特的太阳能电池材料：具有较小能量损失的可溶液处理的大带隙材料，值得人们进一步研究。这种材料的制备非常简单有效，而且价格十分便宜，便于大规模商业生产。然而作为新一代太阳能电池，稳定性和效率肯定是首当其冲的决定性因素，一旦得到解决，钙钛矿太阳能电池在未来将具有难以想象的发展前景。目前科学家们提出了一种新出现的方法，这种方法是利用金属纳米粒子散射对太阳能电池光陷阱的影响进行散射。
图 1.2太阳能电池分类与研究进展
1.3钙钛矿太阳电池概述
1.3.1钙钛矿太阳电池器件结构
平面异质结结构 介孔结构
图1.3.1 钙钛矿的器件结构
通常而言，我们可以按照钙钛矿太阳能电池结构的不同，将它们分为如下两类：平面异质型和介孔型（如图1.3.1）。
平面异质结结构。平面异质结结构和有机聚合物太阳能电池的结构十分相像，与介孔结构的钙钛矿电池相比，平面异质结结构的电池有着相对较高的开路电压，同时它们十分容易制备。在这种电池结构中，N型材料和P型材料中间夹杂着的部分我们称之为钙钛矿层。由于我们较难控制钙钛矿膜的形貌，同时器件的光电转换效率在很大程度上取决于钙钛矿膜质量的高低，因此其器件重复性较差。
介孔结构。在这种电池结构中，我们按照从上至下的顺序来看，应该分别为TiO2致密层、TiO2多孔层、钙钛矿层、空穴传输层、金属电极和透明电极（FTO）。[]这里，TiO2致密层主要被用来阻挡空穴，但同时其还能起到对传输电子的收集作用，TiO2多孔层同时兼顾了传输电子和支撑整个框架的两个不同的作用。空穴传输材料用来传输空穴，其主要位于钙钛矿层的上方。由于TiO2多孔层与钙钛矿层间的孔洞里会填充一部分空穴传输材料，然而由于这部分空穴传输材料的存在，这会造成TiO2颗粒与空穴传输层的直接接触，进一步产生漏电流，所以该器件的开路电压不是很高。
1.3.2钙钛矿太阳电池的关键材料
电子传输材料。目前由于钙钛矿太阳能电池生长制备工艺的不断改进，钙钛矿太阳能电池实际转换效率正逐渐趋近于实验室理论效率。为了达到对钙钛矿太阳能电池性能的进一步完善，我们必须对整个器件内的载流子动力学过程进行一个准确、精细的控制。[]目前TiO2主要被用来作为钙钛矿太阳能电池的电子传输材料，而这一切则是因为其有利于电子注入的CBM（conduction band minimum,导带底)为4.1eV。根据最新的研究，我们可以用很多方法提高TiO2的电子迁移率，但其中最有效的则是通过掺杂的方式来实现。如因其具有高导电率同时其逸出功介于FTO和TiO2之间，Snaith等用石墨烯/TiO2纳米颗粒复合材料作为电子传输层，以此进一步达到对电子传输性能的提高，使其光电转换效率高达15.6%同时提高电池的短路电流（）和填充因子（FF）。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/qcgc/345.html
