聚光硅基钙钛矿叠层太阳能电池结构与性能研究

发布时间：2020-04-16 09:43

【摘要】：钙钛矿太阳能电池由于其优异的本征材料特性和巨大的效率提升潜力,近十年间,转换效率已从3.8%提高到22.7%,被认为是未来最重要的太阳能电池材料之一,为进一步提高其转换效率,钙钛矿叠层电池成为该领域最重要的发展方向。传统硅基钙钛矿叠层太阳能电池顶电池和底电池面积相同,由于钙钛矿顶电池对太阳光的“过滤”作用,使叠层太阳能电池中硅电池转化效率大幅降低。针对上述问题,本文提出了一种聚光硅基钙钛矿叠层太阳能电池,在传统硅基钙钛矿太阳能电池的基础上,引入聚光结构,通过聚光技术提高底层硅电池的光能密度,从而弥补顶电池对太阳光的“过滤”作用导致的底电池效率下降,同时通过聚光技术减少底电池的使用面积,达到降低叠层电池成本的目的;其次,通过建立聚光硅基钙钛矿叠层太阳能电池精细平衡极限效率模型,对提出的叠层电池极限效率进行了分析。结果显示:当聚光倍数为1000时,聚光硅基钙钛矿叠层太阳能电池极限效率可达45.82%,相比于单结钙钛矿、单结硅和非聚光硅基叠层电池太阳能电池的效率分别上升了47.81%、38.85%、6.85%。与此同时,建立了聚光硅基钙钛矿叠层太阳能电池的多层膜系太阳光传输特性分析模型,编制了MATLAB程序,研究了钙钛矿吸收层厚度和不同透明电极材料对聚光叠层电池太阳光能量传输特性的影响;结果表明,钙钛矿顶电池的吸收率随着吸收层厚度的增加而增加,同时也会降低硅底电池的入射能量,太阳光能量可通过改变吸收层厚度在叠层电池进行优化分配,而不同的电极材料主要影响叠层电池近红外反射率。最后,基于SCAPS太阳能电池模拟软件,建立了基于聚光硅基钙钛矿叠层太阳能电池的光电耦合模型,分析了不同吸收层厚度、聚光比等参数对实际聚光硅基钙钛矿叠层太阳能电池的光电转换效率的影响,获得了聚光叠层太阳能电池最优转化效率下电池结构参数。结果表明:当吸收层厚度为550nm时,硅基钙钛矿叠层电池转换效率可达到最高25.69%;电池转换效率随着聚光比的增大而增大,当聚光比为1000时,叠层电池总效率可达到28.63%。综上所述,本论文提出了一种进一步提高硅基钙钛矿叠层太阳能电池转换效率、降低电池成本的有效方法,并从理论上研究了该方法的可行性,对发展高效低成本太阳能发电技术具有一定的理论指导价值。
【图文】：

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性而取得了非凡的进展。钙钛矿太阳能电池是一种以新型钙钛矿结构材料作为光材料的新型太阳能电池,其典型的带隙约为 1.55 eV[16], 具有消光系数高的特其可在几百纳米厚的材料中充分吸收带隙范围内的太阳光, 在光伏发电领域具有重要的发展前景和研究意义[17].

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图 1.3 钙钛矿结构示意图钙钛矿太阳能电池一般主要由以下五部分组成：前电极、电子传输层、钙钛矿吸收层、空穴传输层、背电极。以 FTO/TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD/Au 结构的太阳能电池为例，FTO 为前电极，TiO2为电子传输层，，CH3NH3PbI3为电池吸收层，Spiro-OMeTAD 为空穴传输层，Au 为背电极。其工作原理如图 1.3 所示，首先，入射光线照在 FTO 上，一部分光线透射进入钙钛矿吸收层，钙钛矿吸收层吸收光线后，光子受激会产生电子-空穴对，被激发的自由电子移动到电子传输
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

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