硅基异质结钙钛矿串联电池仿真

发布时间：2022-10-05 21:42 热度：

　　本文利用silvacoTCAD软件采用传输矩阵法对硅基异质结钙钛矿电池结构进行模拟仿真，进行了各膜层的性能结构设计及模拟仿真。通过模拟仿真和优化设计，可以实现硅基异质结钙钛矿电池转化效率达到27.8%。[1]

　　关键词：silvacoTcad；串联电池；光子吸收；光电场；掺杂

　　1引言

　　理论上单节太阳能电池的转化效率最高只能达到30%。在多节太阳能电池中，两个或多个禁带宽度不同的电池串联在一起。可实现不同能量的光子被不同的层阶吸收[2]，从而提升电池转换效率，硅基异质结钙钛矿串联电池即为该种叠层电池结构。近几年钙钛矿电池的转化效率可以达到22.1%，可以用作顶电池[3,4]。

　　2器件结构及参数

　　本文模拟的钙钛矿电池由减反射层（LiF），前接触（ITO），缓冲层（MoO3），空穴传输层（spiro-OM），钙钛矿吸收层（perovskite[5]），电子传输层（TiO2[5]）和ITO连接层组成，硅电池由p+a-Si:H，ia-Si:H，c-Si，ia-Si:H，n+a-Si:H和Ag电极组成。各材料参数由文献获得：perovskite[5],TiO2[5],spiro-OM[6,7],a-Si:H[7],c-Si[7],PCBM[8],NiO[9]。

　　3结果分析和讨论

　　3.1不同结构串联电池转化效率差别

　　如图1所示，正向结构串联电池短路电流是17.2mA/cm2，转化效率是27.8%，下面我们具体讨论电池结构及模拟的结果。3.1.1各材料层光子吸收比例如图2所示，从钙钛矿层的吸收谱线来看，钙钛矿层主要吸收波长为350nm~700nm的光子，硅基底吸收层主要吸收波长为700nm~1000nm的光子。同时，其它层对光略有吸收，总的来说寄生吸收不大，但当光的波长为350nm~580nm时，钙钛矿层的spiro-OM对光有较大吸收，寄生吸收较大，该吸收会导致短路电流和转化效率降低。3.1.2各材料层光电场下面从光电场的角度来分析硅基异质结钙钛矿串联电池的短路电流和转化效率情况。图3表示在波长为500nm时，硅基异质结钙钛矿叠层电池的光电场分布。本文采用传其中，c、λ、ε0分别为真空中的光速、入射光波长和介电常数；n和k分别是各层材料复折射率的实部和虚部，h为普朗克常量，|E(X)|2为光电场，Q(x,λ)为单位时间单位面积所吸收的能量。G(x)为载流子产生速率。所以从图3中可以看出，在该串联电池中spiro-OM厚度较大且光电场较强，峰值可以达到1.13，所以spiro-OM对光子吸收较大，而PCBM和NiO对光子吸收较小。所以在硅基异质结钙钛矿电池表示光生电流，Is是反向饱和电流，光照不变所以IL不变，由于随掺杂浓度增高，接触势垒增高，导致Is减小，所以开路电压增大。掺杂浓度增大使得电阻率减小，所以填充因子增大，并且可以看出在掺杂浓度为1×1017时转化效率最高，可以达到27.8%。

　　4结论

　　本文中我们通过仿真计算，讨论了硅基异质结钙钛矿串联电池的性能以及顶电池HTM层掺杂对器件的影响。通过模拟分析可以看到，在硅基异质结钙钛矿串联电池中，钙钛矿层和硅基底层对光的吸收最大，但该两种材料吸收的主要光子波长范围不同。同时，电池中的spiro-OM层对光子也有吸收，会导致寄生吸收，从而影响短路电流和转化效率输出，从模拟结果可以得出，用spiro-OM作为HTM层时，掺杂浓度为1×1017时转化效率较高。

　　作者：何凤琴 陶延宏 石惠君 陈丹 马岩青