基于时域有限差分法光学设计电介质纳米球薄膜钙钛矿光伏电池

王富强, 梁华旭,, 林 波, 程子明,, 史绪航,, 陈智超

(1.哈尔滨工业大学(威海)新能源学院,山东威海 264209; 2.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,黑龙江哈尔滨 150001)

人类社会正面临能源需求的挑战,因此有必要开发多种可再生能源[1-6]。太阳能是可再生能源的重要组成部分[7-10]。太阳能光伏发电是一种清洁能源技术,有助于缓解全球气候变暖[11-17]。薄膜钙钛矿光伏电池因其成本低,厚度薄,重量轻和柔性好的特点,所以可以灵活地适用于各种场合[18]。近年来,国内外研究人员提出的各种纹理化技术将垂直入射光散射成斜入射光来提高光在光伏电池中传播的光程长度,进而提高光伏电池的光吸收率[19-20]。但是这些纹理化技术面临着提高光吸收率是以牺牲电性能为代价的难题。纹理化技术因为需要对钙钛矿材料表面进行微尺度加工,破坏了钙钛矿材料的完整性,所以这反过来会降低光伏电池的光生电流,增加电荷载流子的复合和捕获。笔者为了避免光学收益和电性能恶化之间的矛盾,采用电磁理论设计一种电介质纳米球,增强入射太阳光耦合进入到钙钛矿吸收层的能力,提高钙钛矿光伏电池的光吸收率。电介质纳米球不需要对钙钛矿吸收层进行微纳加工,因而不会增加电荷载流子的复合和捕获。分析电介质纳米球的位置、半径和填充率对钙钛矿光伏电池的光吸收率和光生电流的影响规律。

1 模拟方法

构建的电介质纳米球提升钙钛矿光伏电池的光吸收率模型如图1所示。图1(a)为典型的平板型钙钛矿光伏电池,图1(b)、(c)和(d)分别为前置位、后置位和前后双置位电介质纳米球提升钙钛矿光伏电池的光吸收率模型。电介质纳米球是六边形排列于ITO层之上,或者是六边形排列于HTM层之下,避免了与钙钛矿层之间的相互接触,因而不会增加钙钛矿层的面积和缺陷数量。电介质纳米球与球之间的距离用无量纲数填充率P表示为

P=L/2r.

(1)

式中,L为电介质纳米球心之间距离,mm;r为电介质纳米球半径,mm。

电介质纳米球提升钙钛矿光伏电池的光吸收率效果主要受其前后位置、半径和填充率的影响。电介质纳米球的尺度与入射光的尺度在一个数量级,两者之间的相互作用非常复杂。因此,基于基本电磁理论采用FDTD求解麦克斯韦方程组的方法确定钙钛矿光伏电池的电场和光吸收场的分布。

由于电介质纳米球是正六边形周期性排列,因此,FDTD数值模拟了一个周期内的电场分布。周期内每一个单位体积吸收的相应功率[20]Pabs(m-3)为

(2)

式中,ω为角频率,rad/s;ε″为介电函数的虚部。

Pabs(m-3)经过了入射光源归一化。对Pabs进行体积分,可以计算出特定波长(λ)光的吸收率,表示为

(3)

由于是光学模拟,所以假设所有被吸收的光子都可以产生电荷载流子。光生电流计算为

(4)

式中,e为电子电荷,C;h为普朗克常数;c为自由空间中的光速,m/s。

图1 电介质纳米球提升钙钛矿光伏电池的 光吸收率模型示意图Fig.1 Schematic diagram of dielectric nanospheres enhancing spectral absorption of perovskite photovoltaic cells

2 模型验证

3 结果与讨论

3.1 电介质纳米球位置对钙钛矿光伏电池性能影响

图3、4分别为不同类型钙钛矿光伏电池的光生电流和光谱吸收率。如图3所示,平板型钙钛矿光伏电池的光生电流为22.2 mA/cm2,前置、后置和前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光生电流分别为24.8、23.2和25.5 mA/cm2。前置、后置和前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光生电流明显高于平板型光生电流,其原因是前置、后置和前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率高于平板型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率。

图2 采用FDTD和传输矩阵法计算的钙钛矿层的光谱反射率、透射率对比Fig.2 Comparison of spectral reflectance and spectral absorptivity of perovskite layer calculated by FDTD and transfer matrix method

图3 不同类型钙钛矿光伏电池的光生电流Fig.3 Photocurrent of different kinds of perovskite photovoltaic cells

如图4所示,前置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率在400～620 nm和700～1 000 nm波段明显高于平板型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率。后置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率在700～780 nm和850～1 000 nm明显高于平板型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率。前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率在400～620 nm和680～1 000 nm波段明显高于平板型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率。后置电介质纳米球可以提高钙钛矿光伏电池在近红外波段的光谱吸收率,而前置电介质纳米球和前后双置电介质纳米球均可提高钙钛矿光伏电池在可见光以及近红外波段的光谱吸收率。前后双置电介质纳米球提高钙钛矿光伏电池在可见光以及近红外波段的光谱吸收能力要比前置电介质纳米球强。前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光生电流要比前置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光生电流高约3%。

图4 不同类型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率Fig.4 Spectral absorption of different kinds of perovskite photovoltaic cells

3.2 电介质纳米球半径对钙钛矿光伏电池性能影响

前后双置电介质纳米球半径对钙钛矿光伏电池的光生电流影响见图5。

如图5所示,半径分别为0.25、0.3、0.35、0.4和0.45 μm的前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光生电流分别为23.7、24.6、25.5、24.2和23.8 mA/cm2。半径为0.3 μm的前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光生电流要比半径为0.25、0.3、0.4和0.45 μm的光生电流高7.6%、3.6%、5.4%和7.1%。这是因为不同半径的前后双置电介质纳米球对钙钛矿光伏电池光谱吸收率的增强能力不同。

图5 前后双置电介质纳米球半径对钙钛 矿光伏电池光生电流影响Fig.5 Effect of radius on photocurrent of perovskite photovoltaic cells with front-located and rear-located dielectric nanosphere

图6为前后双置电介质纳米球半径对钙钛矿光伏电池光谱吸收率影响。由图6可知,在400～620 nm波段,不同半径的前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率一致。然而,在620～1 000 nm波段,5种半径的前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率表现出明显的差异。这种明显的差异主要体现在620～750 nm和800～1 000 nm。半径为0.3、0.35和0.4 μm前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池在800～1 000 nm的光谱吸收率要高于半径为0.25和0.45 μm的光谱吸收率。在620～750 nm波段,半径为0.35 μm的前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率明显要高于半径为0.3和0.4 μm前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率。

图6 前后双置电介质纳米球半径对钙钛矿光伏 电池光谱吸收率影响Fig.6 Effect of radius on spectral absorption of perovskite photovoltaic cells with front-located and rear-located dielectric nanosphere

3.3 电介质纳米球填充率对钙钛矿光伏电池性能影响

图7为前后双置电介质纳米球填充率对钙钛矿光伏电池光生电流的影响。由图7可知,填充率分别为1、1.1、1.2、1.3和1.4的前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光生电流分别为24.2、24.9、25.5、25.5和24 mA/cm2。填充率为1.2和1.3的前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光生电流相同。填充率为1.2和1.3的前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光生电流要比填充率为1、1.1和1.4的光生电流高4.5%、2.4%和6.3%。这是因为不同填充率的前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率不同。

图7 前后双置电介质纳米球填充率对钙钛矿 光伏电池光生电流影响Fig.7 Effect of filling factor on photocurrent of perovskite photovoltaic cells with front-located and rear-located dielectric nanosphere

图8为前后双置电介质纳米球填充率对钙钛矿

图8 前后双置电介质纳米球填充率对钙钛矿 光伏电池光谱吸收率影响Fig.8 Effect of filling factor on spectral absorption of perovskite photovoltaic cells with front-located and rear-located dielectric nanosphere

光伏电池光谱吸收率影响。由图8可知,不同填充率的前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率在650～1 000 nm波段表现出明显差异。填充率分别为1和1.4的前后双置电介质纳米球型钙钛矿光伏电池的光谱吸收率明显低于填充率分别为1.1、1.2和1.3的光谱吸收率。

4 结 论

(1)前置、后置、前后双置电介质纳米球均可以提高钙钛矿光伏电池的光生电流和光谱吸收率。

(2)前后双置电介质纳米球可以将平板型钙钛矿光伏电池的光生电流提高14.8%。

(3)半径分别为0.25、0.3、0.35、0.4和0.45 μm的前后双置电介质纳米球对钙钛矿光伏电池光谱吸收率的影响主要体现在620～750 nm和800～1 000 nm波段。

(4)填充率分别为1、1.1、1.2、1.3和1.4的前后双置电介质纳米球对钙钛矿光伏电池的光谱吸收率的影响主要体现在650～1 000 nm波段。