摘 要

钙钛矿太阳能电池很快成为可再生能源领域的新希望之一，它们有可能带来高效低成本的太阳能电力转换。虽然单吸收层器件的效率已经达到22％以上，但成功进入市场可能需要更高的价值与现有技术支持。调整吸收区域的相关参数，可以使这些材料允许它们与互补的光伏电池组合以形成所谓的叠层光伏电池，它们在现实条件下也能产生更多能量。

本文对wxAMPS软件的计算原理和模拟过程进行简单介绍。随后分别构建了单结钙钛矿光电池器件和单结铜铟镓硒光伏电池器件，并用wxAMPS软件对其进行模拟，根据模拟数据，对传输层载流子迁移率、吸收层质量和吸收层厚度对电池转换效率的影响展开讨论。最后在半透明光伏电池发展的基础上，构建叠层钙钛矿光伏电池，讨论上电池吸收层厚度对上电池、下电池以及整个叠层钙钛矿光伏电池转换效率的影响，最终找出最优上电池吸收层厚度250 nm，对此吸收层厚度下，对各项参数进行优化后的叠层钙钛矿光伏电池进行模拟，得到优化后的转换效率23.46%。比单结钙钛矿光伏电池的转换效率高出3.6%，比单结铜铟镓硒光伏电池高出5.78%。

关键字：太阳能电池 理论模拟 叠层光伏电池

Simulation Study on the Performance of Tandem Perovskite Photovoltaic Cells

Abstract

Perovskite solar cells are quickly becoming one of the new hopes in the field of renewable energy, and they are likely to bring efficient and low-cost solar power conversion. Although the efficiency of single-absorber devices has reached more than 22%, successful entry into the market may require higher value and prior art support. Adjusting the relevant parameters of the absorption region allows these materials to be allowed to combine with complementary photovoltaic cells to form so-called tandem photovoltaic cells, which also generate more energy under realistic conditions.

This paper take a brief introduction to the calculation principle and simulation process of the wxAMPS software. Subsequently, a single-junction perovskite photocell device and a single-junction copper indium gallium selenide photovoltaic cell device were constructed and simulated by wxAMPS software. According to the simulation data, carrier mobility, absorption layer quality and absorption layer thickness were observed. Discuss the impact of battery conversion efficiency. Finally, on the basis of the development of translucent photovoltaic cells, a laminated perovskite photovoltaic cell was constructed. The influence of the thickness of the absorption layer on the conversion efficiency of the upper cell, the lower cell and the entire Tandem perovskite photovoltaic cell was discussed. The thickness of the absorption layer of the battery is preferably 250 nm. Under the thickness of the absorption layer, the Tandem perovskite photovoltaic cell optimized by various parameters is simulated, and the optimized conversion efficiency is 23.46%. The conversion efficiency is 3.6% higher than that of the single-junction perovskite photovoltaic cell, which is 5.78% higher than that of the single-junction copper indium gallium selenide photovoltaic cell.

Key words：Solar cell；theoretical simulation；Tandem photovoltaic cell

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 太阳能电池概述 1

1.1.1 传统能源问题引发新能源的发展 1

1.1.2 太阳能电池的发展历程 1

1.2 光伏电池发电原理 2

1.3 钙钛矿材料 4

1.3.1 钙钛矿材料结构 4

1.3.2 钙钛矿材料的性质 5

1.4 钙钛矿太阳能电池的结构与性能 7

1.4.1 介孔结构 7

1.4.2 平面异质结结构 9

1.5 钙钛矿薄膜的制备工艺 10

1.5.1 溶液法 10

1.5.2 蒸汽法 11

1.6 研究意义 12

第二章 太阳能电池的模拟基础 13

2.1 wxAMPS模拟软件介绍 13

2.2 wxAMPS模拟软件计算原理 13

2.2.1 漂移-扩散基本方程 13

2.2.2 设置一定边界条件求解方程 15

2.2.3 数值计算程序 15

第三章 叠层钙钛矿光伏电池性能模拟 17

3.1 叠层钙钛矿太阳能电池理论基础 17

3.1.1 叠层钙钛矿电池简述 17

3.1.2 叠层钙钛矿电池器件构建 18

3.2 对单结钙钛矿太阳能电池模拟 20

3.2.1器件结构构建 20

3.2.2 参数设定 20

3.3 TiO₂材料参数对电池性能的影响 22

3.3.1 TiO2传输层载流子迁移率对电池转换效率的影响 22

3.3.2 TiO2传输层的厚度对电池性能的影响 23

3.3.3 传输层是否必要 24

3.4 吸收层参数对太阳能电池性能的影响 25

3.4.1 吸收层与传输层界面 25

3.4.2 吸收层厚度对转换效率的影响 25

3.4.3 吸收层质量对转换效率的影响 26

3.5 对单结铜铟镓硒太阳能电池的模拟 27

3.5.1 单结铜铟镓硒太阳能电池器件构建 28

3.5.2 单结铜铟镓硒电池模拟结果 28

3.6 叠层钙钛矿太阳能电池的模拟 29

3.6.1 叠层钙钛矿太阳能电池模拟器件结构 29

3.6.2 上电池厚度对上电池和下电池转换效率的影响 30

3.6.3 上电池吸收层厚度对叠层电池转换效率的影响 31

3.6.4 叠层钙钛矿太阳能电池最终模拟数据 31

第四章 结论与展望 33

4.1 结论 33

4.2 展望 33

参考文献 34

致谢 38

第一章 绪论

1.1 太阳能电池概述

1.1.1 传统能源问题引发新能源的发展

能源问题一直是人类社会发展进步中的一大问题，人类社会的发展非常依赖能源，它可以促进人类社会的发展，相反也能遏制人类社会的发展，世界上许多战争都是因为能源之争而引起的。我国属于世界上最大的发展中国家，对于高能耗，高污染的化石能源还非常依赖，尤其对石油和煤等。由最近几年的环境变化和空气质量来看，大量化石能源的利用，虽然使经济得到良好的发展，但是化石能源的使用对环境的危害是毋庸置疑的。因此，传统不可再生的化石能源具有一利三害，即利在促进经济发展，而它的危害在于一方面燃烧不充分，浪费能源；另一方面在于用完之后便不再生，不可持续；最后一方面在于对环境污染极大，导致后期对环境的修复成本极大。所以研发高效、清洁、可再生的能源对于一个国家，乃至人类社会都至关重要。太阳能和风能以其不受地域限制和供能相对稳定的绝对优势，得到广泛的应用。相比风能，太阳能能量上限远超风能，受气候的影响较风能低，在开发利用方面比风能具有广阔的前景和潜在的优势。

众所周知，光本身携带能量，那么如何将光的能量进行收集，并转换为人类生活发展的固有能源，这是光伏产业首先需要解决的问题，目前这个问题随着太阳能电池的出现和发展已经得到很好的解决。其次，如何将光转换成更多的电或者其他形式的能量，也就是所谓的光转换效率^[1]。

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