无机非铅钙钛矿太阳电池仿真开题报告

全文总字数：3303字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来随着不可再生资源包括化石燃料等的日益枯竭，绿色环保可再生的太阳能成为了研究的热点，高吸光系数、高载流子迁移率、高稳定性、环境友好性同时制备工艺简单、易实现大规模生产的太阳能电池的开发成为了研究的方向。目前，太阳能电池的类型主要包括无机半导体太阳能电池，有机太阳能电池，染料敏化太阳能电池以及钙钛矿薄膜太阳能电池。2009年，日本的研究者首次提出了具有钙钛矿结构的ch₃nh₃pbi₃并制成了有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池，其优异的特性引起了广泛的关注，但传统有机-无机杂化的钙钛矿太阳能电池含重金属铅，对环境危害大，并且材料中的ch₃nh₃ 在高温或者高湿度的环境下容易分解，即稳定性差。因此，传统钙钛矿太阳能电池的无铅化以及提升其稳定性成为了重点研究的内容。

abx₃类无机钙钛矿材料拥有与有机-无机杂化的ch₃nh₃pbi₃类似的晶体结构。在确保结构稳定的同时a离子半径越大，钙钛矿材料带隙就越小，有利于吸收光谱红移，其中在无机一价阳离子中，cs 半径最大，因此cs 被广泛应用于abx₃钙钛矿结构的a位置取代。由于铅具有毒害性，寻找铅的替代金属尤为重要，元素周期表中，sn、ge与pb同属vi族，形成的光伏钙钛矿与pb基钙钛矿的结构类似，目前的研究表明sn具有完全替代pb的能力且低毒害。其中 cssni₃是一种很特别的钙钛矿材料，在室温下拥有两种独立的同质异形体的结构，一种是黑色的具有钙钛矿晶体结构的b-γ-cssni₃，拥有较为优异的光学性能，另外一种是黄色的双链结构的y-cssni₃，在太阳能电池中没有光伏响应，它在室温下拥有很强的光吸收系数、较低的激子结合能、较高的空穴迁移率和导电性能。

但是相比于铅基钙钛矿太阳能电池，锡基钙钛矿太阳能电池的开路电压较低，目前性能最好的锡钙钛矿太阳能电池开路电压在0.6 v左右、光电转化效率在10%左右，均远低于铅基钙钛矿太阳能电池。限制其性能提升的主要原因是锡基钙钛矿较低的空位形成能导致较多缺陷，sn² 容易被氧化成sn⁴ 造成结构畸变。此外，锡器件的电子传输层能级和锡钙钛矿较浅的能级不匹配也是一个重要的因素。

2. 研究的基本内容与方案

设计的基本内容：本研究工作将首先通过查阅文献资料，了解无机非铅钙钛矿太阳能电池的结构以及工作原理，其次利用仿真软件AFORS-HET设计一种无机非铅钙钛矿太阳能电池的结构，选取各层的材料的厚度和缺陷浓度进行模拟，最后优化各层的厚度和缺陷浓度，得到最佳的光电转换效率，并与传统的钙钛矿太阳能电池进行比较。该研究对无机非铅钙钛矿太阳能电池的发展具有非常高的价值。

设计目标：（1）查阅文献，了解无机非铅钙钛矿太阳能电池目前的研究进展以及钙钛矿太阳能电池的各项性能的影响因素；（2）学习仿真软件AFORS-HET，根据查阅的资料仿真出一种钙钛矿太阳能电池结构，对光吸收层厚度以及缺陷浓度等进行设计；（3）进行优化，得到不同影响因素对光电转换效率的影响程度，并得到其最佳的光电转换效率。

设计拟采用的技术方案及措施：根据已经查阅的文献资料，使用AFORS-HET软件仿真出一种钙钛矿太阳能电池结构，通过对光吸收层厚度以及缺陷浓度等影响因素进行设计，得出这种结构最优的光电转换效率。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究目的和内容，了解研究所需相关仿真软件afors-het，确定方案，完成开题报告。

第4－6周：完成外文翻译及cssni₃钙钛矿太阳电池各层基本参数资料收集。

第7－9周：完成cssni₃钙钛矿太阳电池的性能模拟。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]顾津宇,齐朋伟,彭扬.无机非铅钙钛矿太阳能电池研究进展[j].物理化学学报,2017,33(07):1379-1389.

[2]兰小奇.非铅钙钛矿的组分调控及光电性能研究[d].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2019.

[3]晒旭霞.少铅或非铅钙钛矿太阳能电池研究[d].武汉：华中科技大学,2018.