【摘 要】
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近年来钙钛矿太阳电池研究发展迅速,其实验室效率已超过25%,接近硅电池的效率记录,受到广泛关注。然而,无论钙钛矿电池或硅电池的效率都接近单结太阳电池理论极限,效率提升空间有限。叠层电池技术是打破效率极限的有效方法,可以通过堆叠不同禁带宽度的太阳电池,拓宽光谱吸收范围,从而大幅提升器件效率。钙钛矿电池因其高效、工艺简单和带隙可调等特点,十分适用于制备叠层电池。本文围绕两端全钙钛矿叠层电池、两端硅基钙
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近年来钙钛矿太阳电池研究发展迅速,其实验室效率已超过25%,接近硅电池的效率记录,受到广泛关注。然而,无论钙钛矿电池或硅电池的效率都接近单结太阳电池理论极限,效率提升空间有限。叠层电池技术是打破效率极限的有效方法,可以通过堆叠不同禁带宽度的太阳电池,拓宽光谱吸收范围,从而大幅提升器件效率。钙钛矿电池因其高效、工艺简单和带隙可调等特点,十分适用于制备叠层电池。本文围绕两端全钙钛矿叠层电池、两端硅基钙钛矿叠层电池和四端硅基钙钛矿叠层电池进行性能仿真,通过分析内部光学机理对各类钙钛矿叠层电池器件结构进行优化,并对四端硅基钙钛矿叠层电池进行实验制备和性能优化。具体内容如下:（1）基于Silvaco Atlas软件建立Cs Pb I3/MASn I3两端全钙钛矿叠层电池理论模型,系统研究了光学耦合层引起的光子再分配效应及其对两端全钙钛矿叠层电池的影响。由于两端叠层电池存在电流匹配效应,在引入Li F光学耦合层后,在减少光反射的同时也使叠层电池内部光学分布发生变化,打破叠层电池内部电流匹配,使得效率下降,从而需要重新设计器件结构参数。根据仿真结果,通过考虑光学耦合效应,叠层器件效率可以从原先的35.03%提升至35.63%,此时Li F、Cs Pb I3和MASn I3的厚度分别为70 nm、260 nm和700 nm。对于不同光学耦合层材料,在结构设计中考虑光学耦合效应后都会进一步器件效率;（2）对两端硅基钙钛矿叠层电池进行仿真研究,光学耦合层引起的光子再分配效应对两端硅基钙钛矿叠层电池同样存在影响。通过建立叠层电池器件模型并开展仿真研究,以Li F作为光学耦合层。在考虑光学耦合效应并进行结构优化后,顶部钙钛矿层优化厚度从原先的260 nm变为280 nm时,器件效率从33.2%提升到33.35%,此时短路电流为20.8 m A/cm~2,开路电压为1.92V,填充因子为0.837。该效应对不同光学耦合层材料都适用,与Li F相比,Al2O3和Zn O作为光学耦合层材料时,光学耦合效应对器件电流密度和效率的影响更为明显,经过调控可以使得器件效率分别提高0.6%和0.65%。（3）通过理论计算对四端硅基钙钛矿叠层电池开展仿真研究和优化。基于仿真结果开展实验研究,以氧化铟锌（IZO）作为透明电极材料,优化磁控溅射工艺,获得方阻为20.7?/□的高透光导电薄膜。采用两步淀积法,制备效率为20.37%的半透明器件。将半透明钙钛矿电池和硅电池进行机械堆叠,制备成四端叠层电池器件,经测试,顶部钙钛矿电池短路电流为24.42 m A/cm~2,开路电压为1.107V,填充因子为0.749,器件效率为20.25%;底部硅电池短路电流为16.47 m A/cm~2,开路电压为0.624V,填充因子为0.781,器件效率为8.03%。四端硅基叠层电池总效率为28.28%,与单结硅电池相比效率提升幅度为24.5%,与单结不透明钙钛矿电池相比效率提升幅度为33.2%,电池效率提升明显。
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