多物理效应的钙钛矿太阳能电池模型研究

张 骁,孙久勋,陈鹏斌,樊安琪

(电子科技大学 物理学院,四川 成都 611731)

太阳能电池是一种重要的可再生能源,进一步降低电池的成本并提高效率将使其应用更为广泛。近年来,有机-无机混合钙钛矿材料,例如CH3NH3PbX3,因其成本低廉、光的吸收系数高,有希望成为新一代低成本高效率太阳能电池的吸收材料[1-3]。

钙钛矿作为一种人工合成材料,在2009 年首次被尝试应用于光伏发电领域后,因性能优异、成本低廉、商业价值巨大,从此大放异彩。近年来,全球顶尖科研机构和大型跨国公司,如牛津大学、瑞士洛桑联邦理工学院、日本松下、夏普、东芝等都投入了大量人力物力,力争早日实现量产。

目前,已发表文献中关于钙钛矿太阳电池理论模型表述还不完善,或者只是从简单的能带模型出发来解释一些现象。因此很多理论科研工作者主要致力于两个大的方向对钙钛矿太阳能电池进行研究:内部参数和外部特性。内部参数包括载流子分布与传输、迁移率、电场分布等,外部特性包括伏安特性、光照影响、温度影响等。

然而,现有解释载流子运输的模型,许多都由于某些局限性而忽略了一些因素[4-5]。

例如式(1)是从Tress 等[6]、Sun 等[7]和Garcia-Belmonte[8]的研究中推导并用玻尔兹曼分布和高斯态密度修正得到的。

式中:Vbi是内建电压;σn(p)是电子(空穴)的态密度;kB是玻尔兹曼常数;T是温度;q是电子电荷;β是复合常数;Nn(p)是总的态密度;nID是理想因子;G是光生载流子的总数,与入射光功率(Pin)成正比。式(1)解释了Voc降低的原因(参考Garcia-Belmonte 和Bisquert 的研究[9])。……