通过集成光-电-热建模实现钙钛矿太阳能电池效率与产热分析的桥接

《Scientific Reports》：Bridging efficiency and heat-generation analysis in perovskite solar cells through integrated opto–electro–thermal modeling

　　

摘要

本研究提出了一种全面的数值光 - 电-热模拟框架，用于平面和半串联钙钛矿太阳能电池（PSCs），强调了吸光层厚度在器件优化中的关键作用。使用 CsPbI₃ 和 FASnI₃ 作为吸光层，我们系统地分析了平面和半串联结构，以同时增强光吸收、载流子产生和电学性能，以及产热特性。模拟结果显示，对于平面 PSC，将 CsPbI₃ 厚度从 200 nm 增加至 600 nm，可将 J_sc 从 14.01 提升至 18.62 mA/cm²，并将 PCE 提高至 21.76%。相比之下，一种包含 200 nm CsPbI₃ 层和 700 nm FASnI₃ 层的模拟半串联结构实现了显著的性能，J_sc 为 28.17 mA/cm²，V_oc 为 1.32 V，PCE 为 31.2%——证明了相对于单结器件的巨大效率增益。本研究建立了一个统一的光 - 电-热模拟框架，将吸光层厚度与光吸收、载流子传输和主导产热机制相关联。所提出的框架系统地研究了主导产热机制，包括载流子热化、焦耳热和非辐射复合，及其随吸光层厚度变化的关系。该框架提供了一种有效的数值方法，用于在评估钙钛矿太阳能电池内部产热特性的同时，优化光伏性能。