论文总字数：29197字

摘 要

钙钛矿光伏太阳能电池属于第三代太阳能电池，得到了全世界的学者，尤其是新能源领域的研究者们的密切关注。其发展进程十分迅速，仅用了十余年时间便将光转化效率提升至25.2%，是最有希望取代传统太阳能电池的新型太阳能转换材料。同时，人们不断进行新的设计，更改各项参数，通过叠层电池等方式对钙钛矿电池进行优化，从而进一步提高其转换效率，加强其稳定性，使其更能够适应市场，更广泛投入实际应用中。

本文简单介绍了Silvaco TCAD模拟软件的计算原理和模拟过程。随后构建了单结钙钛矿光电池器件，并通过Silvaco TCAD模拟软件对其进行操作模拟，根据所得数据，对空穴传输层迁移率、吸收层缺陷态和吸收层厚度以及这些参数电池转换效率的影响展开讨论。接着又构建了钙钛矿/硅叠层光伏器件，通过模拟所得数据，对于叠层操作和电池转换效率的影响进行了讨论。本文设计的双端叠层电池的转换效率为27.77%，而四端叠层电池的转换效率为33.88%，均远高于单结钙钛矿电池的26.32%。

关键词：太阳能电池；钙钛矿电池；叠层光·伏电池

Simulation Study on the Performance of Perovskite/Si Tandem Photovoltaic Cells

Abstract

Perovskite photovoltaic solar cells belong to the third generation of solar cells，and have received close attention from scholars all over the world, especially researchers in the field of new energy. It has rapid development process and it took only more than ten years to increase the light conversion efficiency to 25.2%. It is the most promising new solar conversion material to replace traditional solar cells in the future. At the same time, people continue to renew their designs， adjust their parameters and optimize perovskite cells by means of stacked cells to further improve their conversion efficiency and strengthen their stability, making them more adaptable to the market and widely used in practical applications.

This article briefly introduces the calculation principle and simulation process of Silvaco TCAD. Subsequently, a single-junction perovskite photovoltaic cell device was constructed, and its operation was simulated by Silvaco TCAD. Based on the obtained data, the effects of hole transport layer mobility, absorber layer defect states and absorber layer thickness, and the effects of these parameters on cell conversion efficiency are discussed. Finally, a perovskite / silicon tandem photovoltaic device was constructed. Through the simulation data, the effect of tandem operation on the conversion efficiency of the cells was discussed. The conversion efficiency of the two-terminal tandem cell designed in this paper is 27.77%, and the conversion efficiency of the four-terminal tandem cell is 33.88%. The two kinds of cells are both much higher than the 26.32% of the single junction perovskite cell.

Key words: solar cell; perovskite cell; tandem photovoltaic cell

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 钙钛矿太阳能电池 1

1.2.1 晶体结构 1

1.2.2 单结钙钛矿电池及原理 3

1.2.3 制备工艺 5

1.2.4 钙钛矿电池研究进展 6

1.3 钙钛矿/硅叠层太阳能电池 7

1.3.1 叠层太阳能电池结构及工作原理 7

1.3.2 四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池 9

1.3.3 双端钙钛矿/硅叠层太阳能电池 10

1.4 研究意义 11

第二章 太阳能电池的模拟基础 13

2.1 Silvaco TCAD模拟软件简介 13

2.2 Silvaco TCAD模拟软件计算原理 13

2.2.1物理模型 14

2.2.2漂移-扩散基本方程 14

2.2.3数值计算方法 15

第三章 钙钛矿太阳能电池的数值模拟 16

3.1单结钙钛矿电池的数值模拟 16

3.1.1空穴传输层的研究 16

3.1.2材料参数设定 17

3.1.3电池性能 20

3.1.4吸收层的研究 23

3.1.5电池效率优化 26

3.2 钙钛矿/硅叠层电池的数值模拟 26

3.2.1模拟器件结构 27

3.2.3模拟结果分析 29

第四章 结论与展望 30

4.1结论 30

4.2 未来展望 30

参考文献 31

致谢 34

第一章 绪论

1.1 引言

现代文明的可持续发展迫切需要可再生能源。传统能源（天然气，石油和煤炭）应用简单，使用历史悠久，目前仍占世界能源总供应量的70％以上。但随着人类科技的发展，其储备将远不能无限供应人们的生活与生产。其他新能源，如水能，风能，原子能，氢能源等也存在着一些问题，一定程度上影响其广泛利用。例如，原子能发电厂和水力发电机与地点和人口密度紧密相关，此外，它们需要冗长，笨重且具有一定安全隐患的输电线路。相比较而言，利用太阳能的优势是显而易见的，它可以直接在消费者家中生产，由于技术的发展，其适用范围和接受程度都大幅度提高。因此，全世界的学者都致力于太阳能光电发展与应用。

太阳能光伏的发展已经走上了提高太阳能利用效率的道路，同时解决了诸如降低成本，延长使用寿命等问题，使其能够变化的环境（湿度，阴云，降温）下保持稳定的操作。历史上，第一个光效率远高于1％（即6％）的电太阳能电池是晶体硅基电池（c-Si），晶体硅基电池包括了单晶硅电池和多晶硅电池。因此硅基电池被称为第一代太阳能电池。但是经过研究，这些电池有一些缺点：制造成本高，性能不稳定，副产品具有毒性等。为了消除这些缺点，人们不断进行了尝试，从而不断推进太阳能电池的发展^[1]。

1.2 钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳电池具有成本低,制备工艺简单,以及可制备柔性^[2]、透明^[3]及叠层电池^[4]等一系列优点,而且其独特的缺陷特性^{[5, 6]},使钙钛矿晶体材料既可呈现n型半导体的性质,也可呈现p型半导体的性质,故而其应用更加多样化，在光伏电池领域收到了全世界的广泛关注。同时，钙钛矿光伏电池的发展进程也十分迅速，仅用了十余年时间便将光转化效率提升至25.2%，它是最有前途可以替代传统太阳能电池最有前途的新型太阳能转换材料。

1.2.1 晶体结构

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