硅/钙钛矿四电极叠层太阳能电池研制开题报告
2020-04-21 16:13:20
1. 研究目的与意义（文献综述）
太阳能电池目前被视为最具有潜力的可再生能源之一，经过几十年的研究，科学家主要研制出了硅（si），砷化镓（gaas），碲化镉（cdte）和铜铟镓硒（cigs）太阳能电池。而硅太阳能电池由于具有极佳的光电性能和成熟的制造技术而成为太阳能电池的佼佼者，并且成功进行了商业化。目前，采用传统单节点结构的硅太阳能电池在实验室中的记录效率达到了25％以上。根据shockley-queisser(肖克利-奎伊瑟)限制，在标准的am1.5太阳光照射下，单节点太阳能电池的效率不能超过33.16％。因此，为了克服肖克利-奎伊瑟极限，提高太阳能电池的极限能量转换效率，叠层太阳能电池孕育而生。
叠层太阳能电池是由具有可调谐吸收材料的多个连接点制成的太阳能电池，旨在克服单结点太阳能电池的能量转换极限。其基本原理是将两个或多个吸光材料整合成一个整体电池，当光从电池表面入射进入内部时，先经过顶部的宽带隙吸光带，这时该层吸光材料会吸收能量较大的光子；第一层吸光带未吸收的光子进入下一个吸光带，进而被吸收。经过两层或多层吸收，可以更加充分的利用入射光能，进而提高能量转换效率。因此，两个吸光层的叠层太阳能电池理论能量转换极限将被提升到42％，而对于无限层吸光带组合成的叠层电池，理论上可以增加到68％。
钙钛矿太阳能电池的效率已由 2009 年的3.8%迅速发展到2016 年的22.1%，成为太阳能电池领域的有力竞争者。钙钛矿电池具有杰出的光电性能:包括较高的吸收率，较低的亚带隙吸收以及陡峭的吸收边缘。此外，钙钛矿太阳能电池在较宽的光谱范围内带隙可以通过元素掺杂调节，并且具有较高的开路电压和较低的电势损失，且有较高的缺陷耐受性和较长的电荷载流子扩散长度，以及光子可循环等优点。最重要的是，钙钛矿太阳能电池不仅组合了高效率和出色的光电特性两重优点，而且制备成本低，吸光层的组成元素含量非常丰富。因此非常适合与硅电池组成叠层结构，整体效率有望达到30%以上,有望打破肖克利-奎伊瑟极限。。晶硅技术经过几十年的沉淀已经趋于成熟，光伏市场竞争激烈。如果钙钛矿电池能以成熟的硅电池为基础，以“钙钛矿 晶硅”的形式进入市场，钙钛矿材料不但能更好的利用晶硅技术的长期积累，而且还有机会发挥和调动剩余产能，在这点意义上，开发钙钛矿/硅叠层电池意义重大。
2. 研究的基本内容与方案
2.1设计的基本内容
图2.1 硅/钙钛矿四电极叠层太阳能电池示意图
目前，硅/钙钛矿太阳能电池叠层太阳能主要分为二电极和四电极两种。与二电极叠层电池相比，四电极叠层电池由于是上下两个电池独立工作，且没有电流匹配难题,因此制备较为简单；当然四电极叠层电池由于使用两个独立太阳能电池，会使设备复杂，进而增加制造和使用成本。在本阶段设计并制作相对简单的四电极硅/钙钛矿叠层太阳能电池。电池的示意图如图2.1所示。标准的AM1.5太阳光从从上层的钙钛矿电池入射,经过钙钛矿电池吸收后,剩余的光继续照射入硅太阳能电池,通过太阳能电池测试仪器分别测出钙钛矿和硅电池的效率,两者效率之和即为硅/钙钛矿四电极叠层太阳能电池的总效率。
2.2设计目标
设计并制作一种硅/钙钛矿四电极叠层太阳能电池，总的能量转换效率在10%以上。
2.3拟采用的技术方案及措施
表2.1 钙钛矿电池各层具体结构以及制备方法
| 结构 | 具体材料 | 制备方法 |
| 负极 | 氧化烟锡导电玻璃（ITO-Glass） | 直接购买 |
| 电子传输层 | 二氧化锡（SnO2） | 旋涂 |
| 吸光层 | 钙钛矿（perovskite） | 旋涂 |
| 空穴传输层 | 2,2’, 7, 7’-四[N, N-二(4-甲氧基苯基) 氨基]-9, 9’-螺二芴 | 旋涂 |
| 正极 | 氧化烟锡（ITO），银(Ag) | 磁控溅射，蒸镀 |
器件制备：上层钙钛矿电池拟采用溶液法制备,结构为负极/电子传输层/吸光层/空穴传输层/正极,下层的硅电池从厂家购买。我主要的工作是制备较高效率的钙钛矿电池,电池各层具体结构以及基本制作方法如表2.1所示。其中氧化烟锡导电玻璃直接购买；SnO2电子传输层通过旋涂法制备于导电玻璃上； 钙钛矿层的具体结构为MA0.37FA0.48Cs0.15PbI2.01Br0.99；其中空穴传输材料一般简称spiro-OMeTAD，是一种合成有机材料，；正极的ITO和Ag则分别通过磁控溅射和蒸镀制备。
器件测试：所有器件都在配备氙灯的太阳能模拟系统下进行测试,太阳能模拟系统产生的是标准的AM 1.5G太阳光，氙灯功率为100mWcm-2，测试温度为25摄氏度。对于钙钛矿太阳能电池，所有电池的J-V曲线均在50 mVs-1扫描速率下中进行测试。
3. 研究计划与安排
（1）前期调研，完成开题报告（2018，03，1,——2018，03，20）
做好前期调研，完成开题报告的撰写和修改。
（2）实验研究（2018,03,20——2018，04，20）
4. 参考文献（12篇以上）
[1]hu j, cheng q, fan r, et al. recent development of organic–inorganic perovskite‐based tandem solar cells[j]. solar rrl,2017, 1(6)：1700045.
[2]yoshikawa k, kawasaki h, yoshida w, et al.
silicon heterojunction solar cell withinterdigitated back contacts for a photoconversion efficiency over 26%[j].nature energy, 2017, 2(5)：17032.
