通过多尺度模拟揭示材料参数对钙钛矿光伏性能的影响

《IEEE Journal of Quantum Electronics》：Unravelling the Impact of Material Parameters on Performance of Perovskite Photovoltaics Through Multiscale Simulations

钙钛矿光伏电池材料参数（厚度、缺陷、掺杂浓度）对性能影响研究，通过SCAPS-1D与PVsyst模拟优化电池效率至22.54%、系统性能比86.1%、年发电量255.4MWh，分析载流子迁移率（1.82±0.59 cm2/Vs）对一致性影响，净碳减排7171.4吨。

　　

摘要：

尽管距离实现类似的商业成功还有很长的路要走，但最近的研究成果使得钙钛矿光伏（PPVs）成为硅基光伏（Si PVs）最有前景的替代品。构成电池的各层材料的性质对其性能至关重要。在本报告中，我们使用SCAPS-1D模型研究了材料参数（如厚度、缺陷和掺杂浓度）对电池性能的影响。此外，我们还将分析扩展到使用PVsyst的并网光伏系统。我们观察到，这些材料参数对电池的功率转换效率（PCE）和性能比（PR）以及输出能量生成（Eg）都有显著影响。在优化了各层厚度、缺陷和掺杂量的情况下，电池的性能表现为开路电压（Voc）为xx J，填充因子（FF）为xx，PCE为1.17 V，电流密度为xx mA/cm2，效率为84.1%。使用优化后的电池指标配置的系统，其性能比为86.1%，年发电量为255.4 MWh/年。此外，我们还分析了吸收层迁移率变化对优化电池和系统性能重复性的影响。计算得出的平均PCE和PR分别为22.51%和86.3%，年发电量为255.9 MWh/年，标准偏差分别为0.056%和1.8 MWh/年。最后，我们发现优化后的光伏系统的净二氧化碳排放量减少了7171.4吨。这些结果将对致力于开发下一代钙钛矿光伏系统的研究人员、制造商和环保人士具有极大的意义和激励作用。

引言

太阳能光伏（PV）技术的出现为解决化石燃料储备有限和全球变暖问题带来了希望[1]。将太阳能光伏装置与国家电网整合将满足不断增长的能源需求并缓解气候变化。太阳能电池是光伏系统中最重要的组成部分，它通过光伏效应将阳光转化为电能。目前，晶体硅（c-Si）光伏的市场份额已增加到90%[2]。尽管c-Si光伏具有良好的稳定性和寿命，但仍面临制造能耗高、重量大、灵活性差、温度敏感、原材料昂贵以及产生废弃物等挑战。过去十年中，钙钛矿光伏技术取得了显著进展，具有更高的效率、更低的制造成本、更好的灵活性和更轻的重量，这得益于材料和电池工程方面的进步[3]。钙钛矿光伏技术的这些优势使其成为c-Si光伏的有力替代品[4]。然而，各种限制效率和稳定性的内在及环境因素阻碍了其商业化进程。Koodali综述了一系列实验和理论研究，探讨了钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率和稳定性下降问题[5]。Zhu等人总结了钙钛矿光伏技术商业化所面临的挑战并提出了相应的解决方案[6]。Urbina强调了处理湿气和氧气对提高钙钛矿光伏模块稳定性的重要性[7]。Cheng和Ding研究了离子迁移、残余晶体应变等现象对钙钛矿材料内在稳定性和性能的影响[8]。大量实验报告强调了钙钛矿层微观结构对实现稳定高效PSCs的重要性[9][10]。此外，还有许多实验报告探讨了传输层、接触层和温度对PSCs性能和稳定性的影响[11][12]。除了昂贵的且耗时的实验研究外，光伏系统的建模和仿真在过去十年中也受到了广泛关注[13]。文献中已有大量基于材料和器件的仿真报告[14][15]。实验结果与仿真结果之间的一致性证实了仿真的实用性[16]。还有一些文章专门针对钙钛矿光伏制造的技经济分析，从电池层面到模块层面进行了研究[17]。然而，目前缺乏综合探讨材料参数与光伏电池和系统性能之间关系的研究报告。我们研究的创新之处在于利用多尺度仿真系统地分析了材料参数变化对电池和系统性能的综合影响。虽然电池层面的优化肯定会提升系统性能，但还需要进一步努力来解决系统特定方面的问题。值得注意的是，多尺度仿真方法在钙钛矿光伏研究中越来越受到重视，它能够整合不同物理尺度上的见解。这种分层方法使我们能够建立微观性能与宏观性能之间的直接联系。本研究对材料参数对PSCs及其并网光伏（GCPV）系统性能的影响进行了系统的从电池到系统的计算分析，强调了电池层面工程在提高GCPV净能量产出方面的作用。从太阳能光伏技术从实验室研究向工业制造转型的角度来看，这一分析具有重要意义。