粒子群算法优化全钙钛矿叠层太阳能电池的光电热性能与热损耗抑制研究

《Materials Today Physics》：Advanced Thermal Loss Reduction and Performance Optimization of All-Perovskite Tandem Solar Cells by Particle Swarm Optimization: Opto‐Electro‐Thermal Physics and Modeling

本文创新性地将三维光电热耦合模型与粒子群优化（PSO）算法相结合，通过引入PbS量子点纳米结构并同步优化热损耗参数（包括热化热HTh、焦耳热HJoule等），使全钙钛矿叠层太阳能电池（TSC）的转换效率（PCE）从13.38%提升至23.41%，填补了传统分步优化策略的空白。

　　

亮点

本研究通过智能多物理场耦合设计，在纳米结构增强型全钙钛矿叠层太阳能电池中实现了光电热参数的协同优化，为高效稳定光伏器件开发提供了新范式。

理论与方法

钙钛矿太阳能电池的精准模拟需同步考虑光学、电学和热学行为。光学模型中，麦克斯韦方程组揭示了光传播规律；电学模型通过泊松方程和连续性方程描述载流子输运；热学模型则量化了五种热源（H_Th、H_Joule、H_non-Rad、Hⁿ_P、H^p_P）的相互作用。

光学模型

光在电池内的传播遵循麦克斯韦方程组，通过计算电场分布获得载流子生成速率，为后续电热模拟提供输入。边界条件设定周期性结构，入射光以平面波形式从顶部照射。

电学模型

载流子动力学由泊松方程和连续性方程控制，涵盖SRH复合、俄歇复合等机制。电流密度通过漂移-扩散模型计算，精准反映电子（J_n）与空穴（J_p）的传输行为。

热学模型

热化热（H_Th）源于高能光子的多余能量耗散；焦耳热（H_Joule）来自载流子碰撞；非辐射复合热（H_non-Rad）与缺陷辅助复合相关；电子/空穴的帕尔帖热（Hⁿ_P/H^p_P）则体现载流子输运中的热交换。

热量耗散路径

电池通过表面辐射（H_rad）和对流（H_con）维持热平衡。辐射热耗散遵循斯特藩-玻尔兹曼定律，而对流热转移依赖于环境温差与对流系数。

结果与讨论

传统优化方法难以解决纳米结构叠层电池的多参数耦合问题。本研究通过PSO算法同步优化活性层厚度、纳米棒尺寸等参数，显著提升顶底子电池（TsC/BsC）的电流匹配度。优化后电池的短路电流密度（J_sc）达12.99 mA/cm²，开路电压（V_oc）提升至2.26 V，填充因子（FF）为0.80。串联电阻分析表明FF下降与复合增强及电阻增大相关。

结论

三维光电热模型与PSO的协同应用，使全钙钛矿叠层太阳能电池实现23.41%的转换效率（PCE），顶底子电池的功率转换比分别达19%和44%。该策略为高性能光伏器件开发提供了跨学科解决方案。