基于Afors-Het的碳电极钙钛矿太阳电池仿真开题报告

全文总字数：5444字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近几十年来，随着工业发展和人口增长，全球能源需求不断增加，特别是对传统能源，如石油、煤炭和天然气的依赖仍在继续。到目前为止，超过80％的能源消耗来自化石燃料，这导致了环境污染和气候变暖等问题。更重要的是，化石燃料是不可再生能源，未来终将耗尽。而现代社会的发展需要更多低污染、可持续的能源。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，同时也是清洁能源，在使用过程中不会产生任何的环境污染。利用太阳能进行发电是近些年来发展最快、最具活力的研究领域。人们已经研制和开发了各种太阳能电池。

太阳能的充分利用是解决目前人类面临的能源短缺和环境污染等问题的根本途径。实现廉价的太阳能发电，是人类梦寐以求的追求。作为一种可再生的清洁能源，专家预测光伏发电将在 21 世纪前半叶超过核电成为最重要的基础能源之一。在世界各国尤其是美、日、德等发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下， 过去十多年以硅基为代表的太阳能电池技术获得了长足发展， 其组件每峰瓦的售价已从2005年的￥40元左右下降至目前的￥5～6元， 但目前太阳能发电的成本仍高于传统能源的发电成本。近年来， 一些基于介观尺度的无机或有机半导体材料及三维互穿网络结构的新型介观太阳能电池 (mesoscopic solar cell)，如染料敏化太阳能电池 (dye-sensitized solar cell)备受关注。由于其原材料来源丰富，生产工艺简单，不需要高能耗如高温高真空制备过程，因此，这类器件适应了光伏行业对廉价太阳能电池技术的需求，拥有广阔的应用前景。

基于介观结构的染料敏化太阳能电池自1991年被grtzel教授首次报道以来受到世界各国研究人员的广泛关注及深入研究。截至目前为止，获得公证的染料敏化太阳能电池最高光电转换效率已达11.9%，显示出良好的市场竞争优势及商业化应用前景。然而，获得该效率的染料敏化太阳能电池所采用的电解质材料为液态，由于该材料含有易挥发的有机溶剂，不仅对电池工作的长期稳定性有非常不利的影响，而且对器件的封装及大规模组装和生产造成了显著的阻碍。为此，电解质材料固态化，以固态电解质材料取代液态电解质材料成为了染料敏化太阳能电池研究的重要方向。

2. 研究的基本内容与方案

钙钛矿太阳能电池的研究在近5年内迅速发展，已经成为非常有活力的研究领域，在较短的时间内电池的效率得到了显著的提升。钙钛矿太阳能电池中各层材料的制备及结构都对电池性能有较大的影响。本设计将主要围绕碳电极钙钛矿太阳电池展开，重点研究电池的各层结构、界面、缺陷等对太阳电池性能的影响。

对太阳能电池进行模拟计算的方法很多，通常都是通过数值求解poisson方程对太阳能电池进行数值分析。afors-het（automat for simulation of hetero-structures）软件的出现使太阳能电池模拟计算大大简化，同时提高了精确度。afors-het软件是德国hmi研发，专门应用于异质结构太阳能电池的数值模拟软件，可以自由建立合适的异质结构模型，精确度高。

钙钛矿太阳能电池的基本构造通常为衬底材料/导电玻璃(镀有氧化物层的基片玻璃)/电子传输层(二氧化钛)/钙钛矿吸收层(空穴传输层)/金属阴极。入射光透过玻璃入射以后，能量大于禁带宽度的光子被吸收，产生激子，随后激子在钙钛矿吸收层分离，变为空穴和电子并分别注入传输材料中。其中空穴注入是从钙钛矿材料进入到空穴传输材料中，电子注入是从钙钛矿材料进入到电子传输材料(通常为二氧化钛薄膜)中。基于此，钙钛矿有两类结构：介观结构和平面异质结结构。介观结构钙钛矿太阳能电池是基于染料敏化太阳能电池(dsscs)发展起来的，和dsscs的结构相似：钙钛矿结构纳米晶附着在介孔结构的氧化物(如tio2)骨架材料上，空穴传输材料沉积在其表面，三者共同作为空穴传输层。在这种结构中，介孔氧化物(tio2)既是骨架材料，也能起到传输电子的作用。平面异质结结构将钙钛矿结构材料分离出来，夹在空穴传输材料和电子传输材料中间。 激子在夹芯的钙钛矿材料中分离，这种材料可同时传输空穴和电子。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需相关软件。确定方案，完成开题报告。第4－6周：完成外文翻译及钙钛矿太阳电池各层基本参数资料收集。第7－9周：完成C电极钙钛矿太阳电池的性能模拟。第10－12周：光电性能调试及优化 。第13－15周：毕业论文撰写、修改。

第16周：准备论文答辩。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 汪礼胜，祝霁洺，陈凤翔 .纳米硅／晶体硅异质结太阳电池的优化设计[j]. 半导体光电 ，2011， 32（4） .

[2] 荣耀光，梅安意，刘林峰，李雄，韩宏伟 .全固态介观太阳能电池：从染料敏化到钙钛矿[j]. acta chim. sinica ，2015， 73， 237—251 .

[3] 邱 婷，苗晓亮，宋文佳，楼 冬，张树芳 .钙钛矿太阳能电池材料的研究进展[j]. journal of materials engineering，2018，46（3）142—150.