摘 要

钙钛矿太阳电池是近些年才出现的光伏技术，光电转换效率高，相比传统硅太阳电池具有生产容易、成本低的好处。本论主要采用AFORS—HET软件对晶体硅/钙钛矿异质结太阳电池进行仿真，期望能够更好地提高异质结太阳电池的性能，从理论方面探索晶体硅/钙钛矿异质结太阳电池的可行性。

本次设计主要是利用晶体硅作为n层，钙钛矿作为p层，在n-p之间插入非晶硅作为i层，也就是本征层，在n-i之间考虑界面态密度，分别用ZnO和Al作为正电极和负电极。模拟出发射层厚度、本征层厚度以及界面态密度对转换效率的影响。

本文特色在于：采用钙钛矿作为p层，使用了新的材料以及新的设计思路，利用AFORS—HET软件进行仿真，在理论的层面上展示出可行性，为晶体硅/钙钛矿异质结太阳电池实际制备提供理论指导。

关键词：AFORS—HET；异质结太阳电池；钙钛矿；短路电流；开路电压；光伏性能

Abstract

Perovskite solar cell is a new photovoltaic technology in recent years, which has a lot of improvement in the efficiency of photoelectric conversion compared to the traditional silicon solar cells. The traditional silicon solar cellshave the advantages of easy production, low cost. The purpose of this thesis is to design and simulate the crystalline silicon / perovskite heterojunction solar cell by HET AFORS software. In order to improve the performance of heterojunction solar cells theoretically and experimentally.

This design is mainly using silicon as the N layer, perovskite as the p layer, between the N-P insertion amorphous silicon as the i layer, is the intrinsic layer. Interface state density is added between the n-1. I use ZnO and Al as a positive electrode and a negative electrode. The influence of the thickness of the starting shooting layer, the thickness of the intrinsic layer and the density of the interface states on the conversion efficiency is also simulated.

The feature of this paper lies in: with perovskite as p layer, the use of the new material and new design ideas, using AFORS-HET software simulation, display the feasibility in the theoretical level, for the actual system was developed.

Key words: AFORS—HET; heterojunction solar cell; perovskite; short circuit current; open circuit voltage; photovoltaic performance

目 录

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2背景及现状 1

1.3主要内容及章节安排 2

第2章 理论基础 3

2.1 钙钛矿太阳电池基础理论 3

2.1.1 光生伏特效应 3

2.1.2 钙钛矿材料特性 3

2.1.3 异质结太阳电池的基本结构 4

2.2 本征层及界面态密度 4

2.3 软件介绍 5

第3章 系统的仿真及制作 7

3.1 设计方案 7

3.1.1 发射层的设计 7

3.1.2 界面态的设计 8

3.1.3 本征层的设计 9

3.1.4 衬底的设计 11

3.2 晶体硅/钙钛矿异质结太阳电池仿真结果 12

第4章 各参数对电池性能的影响 18

4.1 发射层厚度对电池性能的影响 18

4.2 界面态密度对电池性能的影响 19

4.3 本征层厚度对电池性能的影响 21

4.4 衬底厚度对电池性能的影响 23

第5章 总结和展望 26

致谢 28

参考文献 29

绪论

1.1目的及意义

随着地球上石油以及煤炭资源的枯竭，人类已经面临着不可忽视的能源危机，与此同时化石能源使用过程中造成的污染危害着人类的健康和美好的环境。然而地球上可以利用的能源来源同样有限，太阳能资源作为一种安全、清洁的可再生能源越来越受到人们的重视，它拥有取之不尽、无所不在的优势，成为未来人类最重要的能源发展方向之一。

晶体硅太阳电池占市场主导地位，市场份额已经超过90%，而多晶硅太阳电池市场份额也已经超过单晶硅太阳电池，但是晶体硅太阳电池发展到现在，转换效率已经很难有大的提升，晶体硅的生产制造技术因为硅材料价格下降缓慢，很难再有大的发展，所以用其他材料代替硅成为发展的新趋势。

随着科技的发展，越来越多的材料可以代替硅来作为太阳电池的材料，利用钙钛矿材料在太阳电池中代替硅作为一层结构，能够有效的提高转换效率。晶体硅/钙钛矿异质结太阳电池相比传统的晶体硅太阳电池具有更高的效率 ，在一定程度上节省了硅材料，生产更加容易，成本更加低廉，是未来太阳电池发展的一大方向，有利于未来新能源体系的进一步建立。利用钙钛矿材料的太阳电池，在人类生活质量不断提高的将来有可能成为家庭个人太阳能发电的首选，有利于缓解现有电网体系的压力，有利于环境状况改善，有利于更好应对化石能源消失后的危机。

1.2背景及现状

在来自太阳电池和染料敏化两个领域的科研工作者的共同努力下，钙钛矿太阳电池的性能以及转化效率得到了巨大的提升。自从2009年的首次报道以来，钙钛矿太阳电池不到4%。2011年，韩国的Park等人优化光阳极介孔薄膜的厚度将效率提高到6.54%。2012年，韩国人Kim基于钙钛矿敏化固态介孔太阳电池，效率达到了9.7%。由Lee等人研究出了光电转换效率10.9%的钙钛矿电池。2013年，Yang等人用溶液和蒸发相结合的方法制备出12.1%的钙钛矿型太阳电池。Gratzel首次采用了两步沉积法制备出了效率达到15%的钙钛矿太阳电池。此后，Snaith用共蒸法制备出了全新的平面异质结太阳电池，效率达到15.4%。2014年，Yang教授在不断优化制备工艺，修饰层的情况下将转换效率提高到了19.3%。紧随其后KRICT研究所也做出了转换效率为20.1%的钙钛矿太阳电池，是目前所达到的最高转换效率。光电转换效率以每年3%的速度提升。Science杂志将钙钛矿异质结太阳电池评选为2013年的世界十大科技突破之一。一旦钙钛矿太阳电池在稳定性方面取得突破，将很大程度上改变能源结构，引发一场关于能源的革命，市场前景将十分巨大。

现阶段影响异质结太阳电池效率的最主要问题有效率低、稳定性差。导致稳定性差的最主要原因是光诱导衰变，即S-W衰变。现阶段，在生产制造过程中采用双叠层、三叠层或者是多叠层结构可以有效的增加光谱响应和有效的提高效率。相信在以后的研究中一定能够制备出更加高效、廉价的太阳电池。