量子点太阳能电池工作过程数字化及性能优化研究

作     者：王龙祥 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邢美波;王瑞祥

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：太阳能电池 PbS量子点 SCAPS 数值模拟 器件优化 

摘      要：随着“双碳政策的推进与落实,建筑节能领域的研究会再上一个新的台阶。作为可应用于光伏一体化建筑的高效光伏器件,量子点太阳能电池在过去数十年间迅速发展,已经初步具备了大规模工业生产的能力。Pb S量子点材料因其显著的多激子效应、可应用的中间带结构、可调谐的带隙宽度、宽的光谱吸收以及低成本高效的制备方法,是量子点器件极有潜力的光吸收材料,应用此类材料的光伏器件已经达到了14%的光电转换效率。论文主要利用SCAPS光电模拟软件对结构为FTO/Ti O2/Pb S-Pb X2/Pb S-EDT/Au的量子点太阳能器件进行了数字化建模,并通过数值模拟探讨了不同参数对太阳能电池性能的影响。最后通过实验对部分模拟结果进行验证,为量子点太阳能电池的性能优化研究提供了思路。文章的主要工作内容以及结论如下:1.通过有机液相热注射合成方法合成了高质量的Pb S量子点材料（粒径大约是3nm）,采用液相配体交换技术对量子点材料进行了配体交换,并通过旋涂法制备了效率为9.08%的Pb S量子点太阳能电池（器件结构为FTO/Ti O2/Pb S-Pb X2/Pb S-EDT/Au）。使用SCAPS光电模拟软件对制备的器件进行数字建模,模拟器件的效率校准为9.04%。除基本参数外其他的光电参数主要来自于参考文献,并且在模拟过程中对部分参数进行了适当调整。2.通过模拟探讨了光吸收材料层厚度以及电子传输层和空穴传输层材料对器件性能的影响。结果显示器件的短路电流以及开路电压随着光吸收层厚度的增加呈稳定上升趋势,而填充因子则在厚度增加到200 nm后逐渐开始下降,器件的光电转换效率在700nm处达到最大值10.85%。此外还将Ti O2替换为Cd S、Zn O以及Zn0.8Mg0.2O,并通过能带排列的变化证实了电子传输层和光吸收层之间能带偏移的关键作用。导带负向偏移会降低器件的开路电压,而适当的导带正向偏移则可以增加器件的光电转换效率。将Pb S-EDT替换为Cu2O、Cu I以及Spiro-OMe TAD,结果显示价带偏移量的减小有助于减少界面载流子的复合率。3.通过模拟探讨了缺陷等其他参数的影响,随后对部分参数的影响进行了实验验证。在光吸收层缺陷态密度方面,结果显示,随着Pb S-Pb X2内的缺陷态密度的减小,光伏器件性能不断增加,在1015 cm-3处达到较高的水平,之后性能参数逐渐趋于稳定。在界面缺陷态密度方面,模拟发现较低的界面缺陷态密度有利于器件性能的提升,并且Ti O2/Pb S-Pb X2界面的影响比Pb S-EDT/Pb S-Pb X2界面更加显著。在电子传输层和空穴传输层掺杂浓度方面,结果表明随着掺杂浓度的提高,器件的量子效率也随之提高。模拟显示电子传输层的最佳掺杂浓度为1021 cm-3,并且空穴传输层的掺杂浓度对器件性能影响更加显著。在背电极功函数方面,模拟显示背电极功函数能显著影响器件的性能,并且金电极是很好的选择。在工作温度方面,研究发现当温度上升时,器件性能下降,相较于短路电流,开路电压随着温度的升高下降更加严重。最后还通过实验验证了光吸收层厚度的影响,在改变缺陷态密度的情况下模拟得到了与实验相似的结果,温度模拟的结果也与以往的实验结果相似,这再次验证了模拟研究的有效性。