P型晶硅钙钛矿异质结太阳能电池机理分析

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为解决钙钛矿太阳能电池成本,效率和稳定性问题,硅基钙钛矿异质结是个新颖方案。但是此结构缺乏材料,尺度和结构的优化分析。因此,本文利用半导体器件仿真软件,同时结合钙钛矿太阳能电池机理研究的实例,建立了p-Si钙钛矿异质结太阳能的物理模型。在此基础上本文优化了电池的主要功能层的材料选择、最佳厚度、以及最佳掺杂浓度。同时还研究了金属功函数、缺陷密度、载流子迁移率以及能级匹配对电池性能的影响。最后分析了目前实验制备过程中需要解决的主要问题。经研究发现,p-Si钙钛矿太阳能电池具有以下规律:在p-Si钙钛矿太阳能电池中,TiO2更适合作为电子传输层,其最优ND=1×1018cm-3,最优厚度为50nm。同时选用CH3NH3PbI3作为吸光层电池具有更高的效率,最优厚度应为1um,最佳ND=1×1013cm-3。p-Si的最佳厚度在200800nm之间时,电池同样可以保持相对较高的性能,其最佳NA=1×1019cm-3。在电池的结构以及最佳材料选择确定的基础上,本文分析了电极材料对电池性能的影响。通过研究金属功函数对p-Si钙钛矿异质结太阳能性能的影响,得出电池前后电池的材料的最佳选择。当背电极功函数M-rear=-4.8-5.2eV,前电极功函数M-front=-3.4-4.2eV时电池性能最佳。为了获取更高的性能,我们分析了p-Si与钙钛矿异质结之间能级匹配程度对电池性能的影响。当VBO=0.20.4eV时,p-Si钙钛矿太阳能电池的最优理论效率可达22.25%。如果继续调节p-Si的电子亲和力和带隙达到一个适当的范围,p-Si钙钛矿太阳能电池可以获得的更高理论效率高达23.01%。最后,对本课题参与并制备的p-Si钙钛矿太阳能电池性能进行理论分析,找出实验中的问题所在。值得肯定的是,在p-Si钙钛矿太阳能电池中,CH3NH3PbI3与电子传输层之间生长C60保护层,可以提高电池性能。最终本文得出实验中存在的问题主要包括结构的设计、材料的选择以及电极的功函数匹配问题。
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