硅基異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦串聯(lián)電池仿真分析

何鳳琴 陶延宏 石惠君 陳丹 馬巖青

（黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司 青海省西寧市 810007）

1 引言

理論上單節(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率最高只能達(dá)到30%。在多節(jié)太陽能電池中，兩個(gè)或多個(gè)禁帶寬度不同的電池串聯(lián)在一起。可實(shí)現(xiàn)不同能量的光子被不同的層階吸收[2]，從而提升電池轉(zhuǎn)換效率，硅基異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦串聯(lián)電池即為該種疊層電池結(jié)構(gòu)。近幾年鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到22.1%，可以用作頂電池[3,4]。

2 器件結(jié)構(gòu)及參數(shù)

本文模擬的鈣鈦礦電池由減反射層（LiF），前接觸（ITO），緩沖層（MoO3），空穴傳輸層（spiro-OM），鈣鈦礦吸收層（perovskite[5]），電子傳輸層（TiO2[5]）和ITO 連接層組成，硅電池由p+ a-Si:H，i a-Si:H，c-Si，i a-Si:H，n+ a-Si:H 和Ag 電極組成。

各材料參數(shù)由文獻(xiàn)獲得：perovskite[5], TiO2[5], spiro-OM[6,7], a-Si:H[7], c-Si[7], PCBM[8], NiO[9]。

3 結(jié)果分析和討論

3.1 不同結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池轉(zhuǎn)化效率差別

如圖1 所示，正向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池短路電流是17.2mA/cm2，轉(zhuǎn)化效率是27.8%，下面我們具體討論電池結(jié)構(gòu)及模擬的結(jié)果。

3.1.1 各材料層光子吸收比例

如圖2 所示，從鈣鈦礦層的吸收譜線來看，鈣鈦礦層主要吸收波長(zhǎng)為350nm～700nm 的光子，硅基底吸收層主要吸收波長(zhǎng)為700nm～1000nm 的光子。同時(shí)，其它層對(duì)光略有吸收，總的來說寄生吸收不大，但當(dāng)光的波長(zhǎng)為350nm～580nm 時(shí)，鈣鈦礦層的spiro-OM 對(duì)光有較大吸收，寄生吸收較大，該吸收會(huì)導(dǎo)致短路電流和轉(zhuǎn)化效率降低。

3.1.2 各材料層光電場(chǎng)

下面從光電場(chǎng)的角度來分析硅基異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦串聯(lián)電池的短路電流和轉(zhuǎn)化效率情況。

圖3 表示在波長(zhǎng)為500nm 時(shí)，硅基異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦疊層電池的光電場(chǎng)分布。本文采用傳

輸矩陣法(TMM)作為光學(xué)模型，表達(dá)式如下所示：

其中，c、λ、ε0分別為真空中的光速、入射光波長(zhǎng)和介電常數(shù)；n 和k 分別是各層材料復(fù)折射率的實(shí)部和虛部，h 為普朗克常量，|E(X)|2為光電場(chǎng)，Q(x,λ)為單位時(shí)間單位面積所吸收的能量。G(x)為載流子產(chǎn)生速率。

所以從圖3 中可以看出，在該串聯(lián)電池中spiro-OM 厚度較大且光電場(chǎng)較強(qiáng)，峰值可以達(dá)到1.13，所以spiro-OM 對(duì)光子吸收較大，而PCBM 和NiO 對(duì)光子吸收較小。所以在硅基異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦電池中除了鈣鈦礦層和硅基底層外，有一部分光子會(huì)被spiro-OM 吸收。

圖1：串聯(lián)電池I-V

圖2：串聯(lián)電池不同波長(zhǎng)下各材料吸收光子的比例

圖3：500nm 波長(zhǎng)下正向和反向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池光電場(chǎng)

圖4：正向結(jié)構(gòu)串聯(lián)電池spiro-OM 摻雜濃度影響

3.2 電池HTM層摻雜濃度影響

從圖4 中可以看出，隨著摻雜濃度增加，由于載流子復(fù)合增加，當(dāng)摻雜濃度達(dá)到5×1017時(shí)短路電流開始下降。

總之，將法律認(rèn)同作為實(shí)現(xiàn)“一帶一路”倡議的基礎(chǔ)性工作，這要求我國在充分研究和尊重現(xiàn)有國際商事規(guī)則的基礎(chǔ)上，提出既適合中國國情，又適應(yīng)世界發(fā)展潮流的現(xiàn)代商事規(guī)則。只有在充分考慮國際社會(huì)可接受程度的基礎(chǔ)上，完善我國的商事法律制度并對(duì)外推廣才能真正在推動(dòng)法律趨同的過程中獲得法律認(rèn)同。因此，在“一帶一路”倡議中向世界推行的商事規(guī)則，不可能等到我國商事規(guī)則完善之后才進(jìn)行，我國應(yīng)當(dāng)雙管齊下，在現(xiàn)代商法理念的指導(dǎo)下構(gòu)建與完善國內(nèi)商事法律制度的同時(shí)，積極探尋符合世界商事活動(dòng)要求的商事規(guī)則，從而確保我國“一帶一路”倡議的準(zhǔn)確方向和最終目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，提升我國在當(dāng)代世界商事規(guī)則形成上的話語權(quán)。

4 結(jié)論

本文中我們通過仿真計(jì)算，討論了硅基異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦串聯(lián)電池的性能以及頂電池HTM 層摻雜對(duì)器件的影響。通過模擬分析可以看到，在硅基異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦串聯(lián)電池中，鈣鈦礦層和硅基底層對(duì)光的吸收最大，但該兩種材料吸收的主要光子波長(zhǎng)范圍不同。同時(shí)，電池中的spiro-OM 層對(duì)光子也有吸收，會(huì)導(dǎo)致寄生吸收，從而影響短路電流和轉(zhuǎn)化效率輸出，從模擬結(jié)果可以得出，用 spiro-OM作為HTM 層時(shí)，摻雜濃度為1×1017時(shí)轉(zhuǎn)化效率較高。