摘 要

近年来，太阳能光伏产业得到了迅速发展，尤其是钙钛矿太阳能电池领域，自2009年以来，经历了迅速的发展，其效率从3.8%迅速增长到22%，并在近几年突破了大规模制造等方面的问题。在这方面进行的研究也已经非常深入，经过不断的努力推进，钙钛矿太阳能电池正在接近其理论极限。

本文首先介绍了太阳能电池的应用、研究现状和基本的光生伏特效应原理，并说明其光电特性及制备工艺。随后，针对wxAMPS软件，阐述了模拟的理论基础，包括漂移-扩散基本方程、边界条件、数值计算方法，还介绍了载流子复合理论和隧穿模行。通过wxAMPS建立了钙钛矿太阳能电池的电学模型，研究有关太阳能电池的参数设定，讨论了电池效率与厚度的关系，发现其在300nm厚度下达到最佳效率约20.5%。随后，利用TFCalc建立了钙钛矿电池的多层膜系光学模型，进而开展半透明电池的研究，借此计算出厚度与透明度之间的关系，从而能够建立厚度-透明度-效率定量关系。我们发现，在厚度为135nm时，透明度为30%，效率可以达到12%，为建筑光伏一体化提供有价值的参考。

关键词：钙钛矿电池 理论模拟 半透明电池

Simulation of the performance of semi-transparent perovskite solar cell

ABSTRACT

In recent years, the solar photovoltaic industry has been developing rapidly, especially in the field of perovskite solar cell, since 2009, has experienced rapid development, the rapid growth of efficiency from 3.8% to 22%, and broke through the large-scale manufacturing and other aspects of the problem in recent years. The research carried out in this area has also been very thorough, and after continuous efforts to promote, perovskite solar cells are approaching its theoretical limit.

This paper first introduces the solar cell applications, research status and basic photovoltaic effect principle, and describes its photoelectric characteristics and preparation process. Then, for the wxAMPS software, the theoretical basis of the simulation is described, including drift diffusion equations, boundary conditions and numerical calculation methods. The carrier recombination theory and tunneling modes are also introduced. The electrical model of perovskite solar cell is established by wxAMPS, set the parameters on the solar cell, discusses the relationship between cell efficiency and thickness, the thickness of 300nm found in the best efficiency of about 20.5%. Then, TFCalc was utilized to establish the multilayer optical model of perovskite cell, and then carry out a translucent cell, to calculate the relationship between the thickness and transparency, so as to establish quantitative relationship between thickness - transparency - efficiency. We found that when the thickness is 135nm,and the transparency is 30%, the efficiency can reach 12%, which provides a valuable reference for building integrated photovoltaics.

Key words: Perovskite solar cell; Simulation; Semi-transparent solar cell

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 太阳能电池简介 1

1.1.1 太阳能利用现状 1

1.1.2 光生伏特效应 1

1.1.3 太阳能电池发展概述 2

1.2 钙钛矿材料及其制备工艺 3

1.2.1 钙钛矿材料及其光电特性 3

1.2.2 CH₃NH₃PbX₃的制备工艺 5

1.3 本文研究的主要内容和研究意义 6

第二章 太阳能电池模拟基础 8

2.1 太阳能电池的模拟 8

2.2 wxAMPS计算原理 8

2.2.1 漂移-扩散基本方程 8

2.2.2 边界条件 10

2.2.3 数值计算方法 10

2.3 载流子复合理论 12

2.4 隧穿模型 13

第三章 半透明钙钛矿太阳能电池的模拟 16

3.1 wxAMPS中电池模型建立和基本条件设置 16

3.1.1 器件结构 16

3.1.2 材料参数的设置 16

3.1.3 外部环境参数的设置 17

3.2 电池效率 17

3.2.1 钙钛矿电池的理论效率 17

3.2.2 厚度对效率影响 18

3.3 TFCalc模型建立 18

3.3.1 半透明钙钛矿电池简介 18

3.3.2 TFCalc基础原理 19

3.3.3 TFCalc模型建立 20

3.3.4 计算透明度 22

3.3.5 厚度与透明度的关系 22

3.4 电池性能与透明度关系 23

第四章 结论和展望 24

4.1 结论 24

4.2 展望 24

参考文献 25

第一章 绪论

1.1 太阳能电池简介

1.1.1 太阳能利用现状

由于传统能源的不可再生，更由于对保护环境的呼声日益增强，可再生的清洁能源当前已受到人们重视，这个广阔的市场在未来也注定更加庞大。各国预计在清洁能源方面的投资近年来都有不小的涨幅，即使是在面临金融危机的2016年也达到了1.8万亿美元^[5]。在所有的可再生的清洁能源中，由于太阳能的广泛实用性和能量巨大的特点（太阳每分钟向地球输送的能量达到2.5×10¹⁸cal/min^[6]），其应用最广泛。

阳光入射到地球表面，一方面通过热辐射效应改变地表，海洋等环境温度，直接影响着全球的气候；另一方面，通过植物的光合作用将太阳能转换成生物质能，维持着生物界的平衡。这又分为光热发电和光伏发电。光热发电需要在太阳辐射较高的地域以及配备聚光的条件下才有实际应用价值，目前只有西班牙，美国等少数国家尝试^[7]。利用太阳能电池进行光伏发电既环保又安全，可以组建成大型电站，也可应用于居民屋顶，甚至可穿戴设备，已成为各国改善能源结构的关键手段。

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