CIGSe/Pervoskite 叠层太阳能电池的光学设计开题报告

全文总字数：4517字

1. 研究目的与意义（文献综述）

目前人类使用的能源主要是传统能源（石油、煤炭、天然气等），根据对经济发展和人口增长的预测，预计到2050年全球能源需求将翻一番，到2100年将增加两倍。据世界能源会议可靠计，世界煤炭可开采量共计 15980 亿吨，预计可开采200年；石油121亿吨，预计可开采 30-40 年；天然气储量 119 万亿立方米，预计可开采60年左右，余量非常紧缺[1]。同时，虽然基于化石燃料的能源技术在人类文明的进步中发挥了主导作用，但人类却付出了巨大的代价：全球气候变化，生态失衡和热污染[2]。在全球能源需求空前高涨而又环境污染非常严重的情况下，绿色新技术革命能源（新能源）已被视为可持续社会发展的基础。氢能因为使用燃料电池可以实现有效的转化，但是也存在着许多问题。 制氢、供氢和加氢的系统较落后,造成氢成本剧增; 技术标准、检测体系滞后[3]。太阳能是一种取之不尽，用之不竭的新能源。太阳能电池具有不消耗传统能源、无转动部件、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意调节、无噪声、无污染等优点被广泛的研究[4]。随着科学界对太阳能的重视程度逐渐增加，驱使了太阳能转换器--太阳能电池的不断更新换代，太阳能逐渐成为能源界的主角。

硅是较为理想的太阳能电池材料。但是硅是间接带隙半导体，在保证电池具有一定的光电转化效率前提下，其吸收层厚度一般要求在150-300μm 以上（被称为体太阳能电池），在加工过程中有近40%的材料损失，并且其制备过程高污染，能耗高，能量偿还时间长，这些因素严重制约了其在航天、通讯和建筑-光伏一体化等领域的竞争优势[5]。在这种情况下，薄膜太阳能电池引起了人们的重视，成为科研工作者的研究热点。

薄膜太阳能电池种类众多，其中铜铟镓硒（cu(in,ga)se2，简称 cigse）薄膜光伏电池具有用料少、效率高、稳定性好、功率质量比高，易于柔性化和卷绕式生产等优点，具有良好发展前景，成为研发热点[6]。经过这几年的快速发展，钙钛矿薄膜太阳能电池由于其廉价的成本和简单的制作工艺以及高光电转化效率，成为当前纳米技术和光电转换材料研究的热点之一，是最有希望取代传统太阳能电池的新型太阳能转换材料。目前，krict已经将钙钛矿太阳能电池效率纪录提高到 24.2%[7]。

2. 研究的基本内容与方案

CIGSe 材料是直接带隙半导体，吸收系数可以达到 105cm-1，这在可薄膜化的半导体材料中属于较高的，只需要 1-2μm 的厚度就可以达到 99%以上的太阳光吸收[12]。CIGSe材料的带隙宽度随Ga元素的掺杂含量在1.02eV到1.67eV之间变化[13]。高效的 CIGSe 太阳能电池要求 Cu/(In Ga)在0.69-0.98 之间，Ga/(In Ga)在 0.21-0.30 之间。调节钙钛矿组分可以提高宽带隙钙钛矿电池的性能[14]，实验时选取吸收系数大的组分比例。为了使电池的效率最大化，对钙钛矿电池部分的电子传输层和空穴传输层进行设计。设计ETL和HTL厚度，从而降低电池层界面之间的反射，达到增加光吸收的目的[15]。所以针对CIGSe/钙钛矿叠层太阳能电池，采取固定下层太阳能电池(CIGSe层)的属性，通过调节钙钛矿电池层的性能，从而使两层电池的短路电流密度匹配，吸收达到最大化，从而实现电池的效率最大化。模拟时，确定CIGSe电池结构及厚度依次为Mo400nm，CIGSe吸收层2500nm（Ga掺杂比例为0.3），CdS50nm，ZnO120nm，AZO10nm，通过RefDex软件模拟计算在波长300 nm到1200nmCIGSe电池层的吸收情况。针对确定的CIGSe电池层模拟计算三部分内容：a、以10nmMoO3作为空穴传输层，10nmC60作为电子传输层，探究有机-无机钙钛矿层（CH3NH3PbI3-xClx，x为0.3）厚度从100nm到1200nm之间以20nm为变化单位组建的串联电池的光吸收和转化情况；b、通过a得到与CIGSe电池相匹配的钙钛矿吸收层厚度，确定该厚度为固定值，以MoO3作为空穴传输层，C60作为电子传输层，在RefDex中分别模拟计算电子传输层和空穴传输层厚度从5nm到20nm之间以2nm为变化单位的串联电池吸收和转化的情况；c、固定钙钛矿吸收层厚度为最佳厚度，电子传输层和空穴传输层厚度为10nm，在RefDex软件中模拟不同材料作为电子传输层和空穴传输层时串联电池的吸收和转化情况。

3. 研究计划与安排

1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。确定研究方案和思路，完成开题报告。

4-5周：按照设计方案获取所选材料的基本光学常数资料和信息并整合。

6-10周：按照设计的实验方案模拟计算，得到相应数据，整理并分析相应数据。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 赵洪滨,金红光,林汝谋.世界能源结构变化趋势与分析[j].洁净煤技术,2000, 6(3).

[2] 陈冠益,邓娜,吕学斌等. 中国低碳能源与环境污染控制研究现状[j].中国能源,20-10,32(4):9-14.

[3]氢燃料电池技术备受热捧[j].技术与市场，2020，27（2）:1-1.