钙钛矿-晶硅叠层太阳电池的光学结构设计与优化

摘要

钙钛矿-晶硅叠层电池是近几年新型太阳电池的一个热门研究方向。从理论上讲，这种电池的转换效率可以达到30%以上。尽管广泛意义的研究展现了这种叠层电池非常大的转换效率潜力，然而到目前为止，还从未有人从光学角度提出具体化的实现结构。在本文中，我们从光学角度研究了将纳米倒金字塔结构应用于钙钛矿-晶硅叠层电池，以实现超过31%转换效率的可能性。以实验层面的可行性为前提，我们通过有限时域差分（finite-difference time-domain，FDTD）全场模拟证实了通过调控纳米金字塔的结构参数能够实现低于2%的超低表面反射。更为重要的是，我们证明了通过在顶底电池之间添加一层透明导电氧化物（Transparent conductive oxide，TCO），可以激发顶电池内部的折射率引导的导模共振陷光，有效阻隔顶层电池导波光耦合到底层电池。另外一种典型的陷光通过布拉格反射层的选择性全反射实现。通过对比我们发现，借助TCO实现的导模共振陷光方法显示出比布拉格层更加优越的特性。最后，我们证明了可以通过调控中间层的厚度来调节顶底电池间的光耦合程度，进而达到调节光生电流的目的。在最优化的参数组合下，我们模拟出二端、四端器件的效率分别可达到31.9%和32.0%。以上模拟结果为钙钛矿-晶硅叠层电池的制作提供了实用的光学结构设计方案。
　　以上研究得到了国家自然科学基金（61234005和11474201）的资助。特此感谢！

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 钙钛矿与钙钛矿太阳电池

1.3 叠层太阳电池简述

1.4 钙钛矿-晶硅叠层电池研究进展

1.5 本章小结

参考文献

第二章 基于有限时域差分的理论模拟研究方法

2.1 引言

2.2 Lumerical FDTD Solutions光学模拟

2.3 本章小结

参考文献

第三章 钙钛矿-晶硅叠层电池减反结构设计与参数优化

3.1 引言

3.2 模拟方法

3.3 纳米倒金字塔结构的减反效果分析

3.4 本章小结

参考文献

第四章 钙钛矿-晶硅叠层电池的顶电池陷光方案设计

4.1 引言

4.2 借助TCO中间层实现可控陷光

4.3 模拟叠层效率

4.4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5.1 本文主要结论

5.2 展望与建议

致谢

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