用于提高超薄钙钛矿太阳能电池效率的分层孔洞结构

发布时间: 2024-06-30 12:34:10 发布者:企业新闻

  钙钛矿太阳能电池因其出色的灵活性、超高效率和低成本而非常关注,具有广阔的未来市场发展的潜力。然而,随着 PSC 厚度的减少,阳光的吸收路径变短,导致光吸收不足。此外,传统平面结构的 PSC 会产生界面反射和构造性干涉,导致非常严重的光学损失。因此,寻求一种有效的方法来操控入射光,以增强超薄 PSC 中的光吸收至关重要。

  设计并优化了一种具有分层孔洞结构的超薄钙钛矿太阳能电池,以提高其太阳能吸收和利用效率。首先,利用电磁理论对结构可以进行了优化,在与其他方法和实验结果的比较,验证了所采用的限差分时域(FDTD)方法的准确性后,通过此方法详细分析了光吸收和电磁场分布。然后,介绍其制作的完整过程采用了牺牲性聚苯乙烯(PS)微球模板的技术。之后,还比较了不同层级结构的性能,并研究了几何参数对电池性能的影响,及结构对不同入射角度下太阳光的适应性。最终,研究得出结论,这种分层孔洞结构能够明显提升太阳能电池的效率,为未来超薄太阳能电池的设计提供了指导。

  图1. 原理图:(a)平面结构的光损耗机理;(b)分级孔结构增强光吸收机理;A型(c)、B型(d)两种分级孔隙结构;(e)层状孔隙结构的PSC俯视图:孔隙呈六边形排列;(f)本研究的模设置。

  图 3. 层状孔隙结构与平面结构的比较:(a)层状孔隙结构与平面结构PSC的光谱吸收率 ; (b)分层孔结构和平面结构PSC的光电流 ; (c)分层孔结构 ; ( d )平面结构PSC的电场分布 ; (e)层状孔结构 ; (f)平面结构PSC的 电场分 布。

  图5. 不一样的层次结构的比较:两种层次纳米颗粒结构:(a)C型;(b)D型;(c)-(e)不一样的层次结构PSC的光谱吸收率;(c)A型和B型;(d)A型和C型;(e)A型和D型;(f)不一样的层次结构的PSC光电流。

  图6. 几何参数对PSC性能的影响:(a)比例对PSC光电流的影响;(b)比值对PSC平均吸收率的影响;(c)直径对PSC光电流的影响;(d)直径对PSC平均吸收率的影响;(e)填充因子对PSC光电流的影响;(f)填充因子对PSC平均吸收率的影响。

  本研究通过引入分层孔洞结构,使得超薄钙钛矿太阳能电池的太阳能吸收和利用效率得到了显著提升。该结构的主要特征在于:顶层大孔能够聚焦和引导光线,而底层小孔则通过反向散射增强未吸收光的利用,从而提升了电池的整体光电流至多 20.7% 。相比于传统的平面结构和其他层级介质纳米粒子结构,提出的这种分层孔洞结构在光管理方面展现出更高的效率。研究还发现,该结构对不同入射角度的光线拥有非常良好的适应性,由此提供了一个全向光捕获方案。而在几何参数优化方面,确定了孔径比、孔径和填充因子对提升太阳能吸收效率的重要性。展望未来,该项研究成果不仅为超薄太阳能电池的设计提供了宝贵的指导,也为进一步的研究和实际应用中的测试与改进奠定了基础,有望推动太阳能电池技术的发展和成本效益的优化。

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