无机钙钛矿太阳能电池Cs2SnI6的电子结构和光学性质的第一性原理研究

近年来,Cs2SnI6作为一种无毒性、稳定性好的新型钙钛矿材料应用于太阳能电池中,其电池的光电转换效率由最初不到1%增长到现在的8.5%,使之成为有可能替代铅基钙钛矿太阳能电池的新型太阳能电池。本文采用基于广义密度泛函和杂化密度泛函的第一性原理方法研究了Cs2SnI6的电子结构、光学特性和钙钛矿太阳能电池的光电性能参数。研究结果表明,导带底和价带顶位于同一高对称点Γ而属于直接跃迁型半导体,且电子态主要来自于I-5p轨道和Sn-5s轨道。在近红外和可见光波长范围内有较高的吸收系数,当Cs2SnI6钙钛矿厚度达到10μm时,吸收率在311~989 nm之间接近100%,不考虑潜在损失的情况下,理论上太阳能电池可获得短路电流为32.86 mA/cm2、开路电压0.91 V、填充因子87.4%、光电转换效率26.1%。为实验上制备高效Cs2SnI6钙钛矿太阳能电池提供了参考。     

一维衍射光栅和一维光子晶体组成的硅薄膜太阳能电池背反射器

设计了一种由一维衍射光栅和一维光子晶体组成的用于薄膜硅太阳能电池的背反射器,采用勒让德多项式展开法对一维光子晶体和三角形光栅结构进行了参数优化,并对400~1 200 nm入射电磁波的反射率进行了模拟计算。结果表明:在高反射率的一维光子晶体作用下,利用衍射光栅可以得到大倾角的反射光,有效地延长光子在电池吸收体的传播路径,使其得到充分吸收。衍射光栅加光子晶体结构的背反射器可以大幅提高电池的捕光能力,提高太阳能电池的转化效率。     

基于二维矩形SiO2光子晶体光栅的研究

 为解决光学系统中普遍存在的菲涅耳反射问题,提高光的透射率,设计了一种二维矩形SiO2光子晶体结构光栅。采用勒让德多项式展开法对该结构在可见 近红外波长范围入射光波的透射率进行了模拟计算,寻找到了合适的占空比e、光栅深度h和基底厚度d,使得光栅的透射率在入射角为0～60°范围内、入射波长在400 nm～1 200 nm范围内变化时,其透射率的变化相对稳定,透射率的平均值可达到96%以上。     

FA1-xCsxPbI3-yBry钙钛矿材料优化及太阳电池性能计算

甲脒铅碘钙钛矿(FAPbI3)因其优异的光电性能而成为新兴太阳电池最具潜力的候选材料,但是稳定性较差成为制约其发展的主要瓶颈.通过离子掺杂可以有效地改善FAPbI3的稳定性,如通过共掺杂Cs^+和Br^-形成FA1-xCsxbI3-yBry钙钛矿材料,其耐热及耐水稳定性得到显著改善.本文利用第一性原理计算了FA1-xCsxPbI3-yBry(x=0.125,y=0-0.6)体系的几何结构、电子结构和光学性质.通过分析发现Cs^+和Br^-的掺入使得体系能量降低,FA0.875Cs0.125PbI2.96 Br0.04最稳定.利用等效光学导纳法模拟计算了平面结构钙钛矿太阳电池的吸收率、载流子收集效率、外量子效率、短路电流密度、开路电压和伏安特性.对于FA1-xCsxPb I3-yBry钙钛矿太阳电池,当x=0.125,y=0.04,厚度为0.5—1.0μm时,电池的短路电流密度均为24.7mA·cm^-2,开路电压为1.06 V.结果表明Cs^+和Br^-的共掺杂在没有降低电池短路电流的同时提高了体系的稳定性,可为实验上制备高效稳定的钙钛矿太阳电池提供理论参考.     

利用陷光结构增加硅薄膜太阳能电池的吸收效率

提出了一种含有光锥光子晶体防反射层和四棱锥光栅背反射层的a-Si薄膜太阳能电池结构,吸收层厚1μm,总厚度为1.45μm。根据光子晶体及亚波长光栅的衍射特性,利用严格耦合波方法对器件参数进行了优化。计算结果表明:当光锥结构倾角θ=72°、晶格常数T1=1 200 nm、介质底半径r=100 nm时,防反射层的透射率较高,在300~600 nm波长范围内,该薄膜太阳能电池的吸收效率比不含防反射层电池提高了11.54%;当四棱锥光栅结构周期L=1.2μm、占空比f=0.38、槽深h5=560 nm时,背反射层的反射效果较好,在600~850 nm波长范围内,电池的吸收效率提高了3.75%。所设计的薄膜电池结构在波长为300~750 nm、入射角为0°~75°范围内的吸收效率均在80%以上,平均吸收效率达92%,满足太阳电池对宽频谱、广角度的光俘获的要求。     

一种增加光吸收的非晶硅薄膜太阳能电池的设计

分别设计与优化了非晶薄膜太阳能电池的上表层和电池底部结构,采用严格耦合波方法(RCWA)数值计算了电池的光吸收。计算结果表明:在仅考虑TM偏振的情况下,优化后的增透膜与无增透膜相比,300～840 nm波长范围内的吸收平均提高了35%左右;优化后的背反射器与无背反射器相比,700～840 nm波长范围内的吸收平均提高了23%左右。该非晶硅薄膜太阳能电池结构在全角宽频范围内有较高吸收,可以提高太阳能电池的转化效率。     

硅BC8量子点太阳能电池中的多重激子效应

多重激子效应是指在纳米半导体晶体中,量子点吸收一个高能光子而产生多个电子-空穴对的过程,该效应可以提高单结太阳电池能量转换效率。利用碰撞电离机制和费米统计模型计算了工作温度300 K的单结硅BC8量子点太阳能电池在AM1.5G太阳光谱下的能量转换效率。对于波长在280~580 nm的入射光,多重激子效应可以大幅增强硅BC8量子点直径d>5.0 nm的量子点太阳电池的能量转换效率。硅纳米量子点的直径d=6.3~6.4 nm时,最大能量转换效率为51.6%。