钙钛矿太阳电池PPT物理模型

在考虑光子循环效应的情况下，利 用平衡模型预测了碘化铅甲基铵 (CH3NH3PbI3)钙钛矿太阳能电池 的效率极限。在模型中，采用了太 阳的AM1.5光谱和实验测量的复折 射率。
The PCE limit of the perovskite cell is about 31%, which approaches to the Shockley-Queisser limit (33%) achievable by gallium arsenide (GaAs) solar cells.
n(x)/p(x)是电子/空穴浓度，D和μ分别是扩散系数和迁移率，G(X) 代表相关位置产生的光激子。 另外:R（x）=0
(a) Samples #1 (Type-1 (p-i-n), efficiency = 15.7%, JSC = 22.7mA/cm2, VOC = 0.85 V, FF = 81%).
激子结合能
关于阐明第一激发的物质是电子空穴对还是自由载流子？？
V. Sundström和他的团队，在2ps的光激发情况下，研究CH3NH3PbI3， 使用超快时间分辨光谱去揭示电子空穴对的分离形成更高能级的移动电 荷的证据。
Paul组在Nature Photonics上的文章Electro-optics of perovskite solar cells 就测量出，CH3NH3PbI3的激子束缚能小于10meV，激子束缚能 非常的小，小于室温下的热动能（26meV），光照后产生的肯定是自由 的载流子。
87% 58% 82%
机器学习能否用在钙钛矿电池的优良特性的寻找？乃至微观物理模型的建立??
1、机器学习（深度学习等）用于寻找更佳的电池参数
已有数据参数 （膜厚、退火时 间、效率等）
机器学习模型
寻求更高效率的 参数值
2、结合各种现有模型（漂移扩散等），用机器学习建立微观物理模型， 导出逼近的数学表达式
决策树分类混淆矩阵
Actual Class
Predicted Class
Class A Class B Class C
Accuracy
Overall accuracy
Class A
791 97 0 89%
Class B
106 672 107 76%
73%
Class C
17 383 504 56%
Precision
目录
1
钙钛矿电池简介
2
光物理过程
3
相关模型的研究现状
4
一些想法
机器学习的应用实例
《Performance analysis of perovskite solar cells in 2013-2018 using machine-learning tools》 Çağla Odabaşı-Özer等人
[2]姚鑫, 丁艳丽, 张晓丹, et al. 钙钛矿太阳电池综述[J]. 物理学报, 2015, 64(3):135-142.
[3]梁雅倩, 武晓鹂, 郑国源, et al. 柔性钙钛矿太阳能电池的研究进展[J]. 人工晶体学报, 2017, 46(4):634-640.
[4]董恩来, 郜梦迪, 杨巳望, et al. 钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性研究[J]. 人工晶体学报, 2017, 46(5):908-914.
从多体量子理论的起点出发，首先从单粒子薛定谔方程出发，进行几个阶段的近似
然后是它的半经典近似，Boltzmann的输运方程，它最终将 漂移扩散方程作为其极限之一。
另外，还尝试对电荷进行动态累积模拟
离子迁移的主要作用是通过在 钙钛矿层界面上积累电场来屏 蔽电场，从而极大地影响载流 子分布，进而影响光伏特性。
数据库使用ACS、Elsevier、Wiley和RSC数据库以及“自然 与科学”在2013年至2018年的各种期刊上发表的800篇文章 构建。从这些文章中提取了1921个实验数据。
由于PCE主要取决于钙钛矿类型、ETL和HTL材料、沉积工艺、溶 剂和抗溶剂等材料和方法的选择等，对这些参数进行归类、标签
注意：即使都是MAPbI3单晶，生长单晶的方法不同也会造成晶 体结晶品质的差异，会对载流子迁移率和复合寿命的测试造成影 响，从而导致测得载流子的扩散长度相差甚远。
电荷传输
有机半导体中，载流子扩散长度由方程式决定：
LD D
D是扩散系数， 是激子的寿命
扩散长度要大于器件的薄膜厚度d, 同时，材料厚度要大于光线的吸收
Compared to 500 nm-thick flat GaAs solar cells with fill factor (FF) of 0.89, open-circuit voltage (Voc) of 1.16 V, and short-circuit current (Jsc) of 29.5 mA/cm2, perovskite cells have comparable FF, large Voc and small Jsc.
小演练
利用Matlab对CH3NH3PbI3进行简单仿真建模： 设置参数： AM1.5 膜厚500nm 温度：300K
理想条件： 1、光子全部转为电子 2、激子产生后全部转为电流，无复合等损耗
仅钙钛矿，无HTL，ETL
小演练
参考文献
[1]邓林龙, 谢素原, 黄荣彬,等. 钙钛矿太阳能电池材料和器件的研究进展[J]. 厦门大学学报： 自然科学版, 2015, 54(05).
(d) Samples #4 (Type-4 (n-p-p), efficiency= 8.6%, JSC = 17.6 mA/cm2, VOC = 0.84 V, FF =58%).
现有研究二
SCAPS Model Daniel Anthony Jaco等人
对TiO2/MAPbI3/Spiro-OMeTAD 进行仿真建模： 在模型中，钙钛矿型太阳能电池(除其移动离子外)被设想为一个 n-i-p异质结器件，受半导体物理中常见的漂移扩散方程控制。
深度，即：（ 是吸收系数）
d1
载流子一维扩散公式：
载流子的复合
钙钛矿材料的主要光激发产物中，自由载流子作用显著，其 复合过程与激发强度，即载流子浓度相关。 在较弱的光强下，载流子的动态衰减普遍用单分子俘获和 双分子复合发光这两个过程来描述：
An和Ap是指电荷和空穴的俘获率， B是双分子复合速率
目录
然后，这些未复合的电子和空穴分别被电子传输层和空穴传输层收集，即电子从钙 钛矿层传输到等电子传输层，最后被FTO收集；空穴从钙钛矿层传输到空穴传输层， 最后被金属电极收集。当然，这些过程中总不免伴随着一些使载流子的损失，如电 子传输层的电子与钙钛矿层空穴的可逆复合、电子传输层的电子与空穴传输层的空 穴的复合（钙钛矿层不致密的情况）、钙钛矿层的电子与空穴传输层的空穴的复合。 要提高电池的整体性能，这些载流子的损失应该降到最低。 最后，通过连接FTO和金属电极的电路而产生光电流。
首先，利用随机森林算法建立模型并对模型进行检验，验证了稳定PCE的 可预测性。
然后利用关联规则算法挖掘来确定重要的电池属性，从而帮助提高电池效率
而决策树分类则用来识别可能的规律和启发未来的研究点。
决策树分析
1、决策树对效率达到18%以上的电池的分类准确性：87%
2、最能影响电池的效率的因素有：钙钛矿的选择，HTL掺杂、 ETL类型等。
在ABX3晶体中，BX6构成正八 面体，BX6之间通过共用顶点X连 接，构成三维骨架，A嵌入八面体 间隙中使晶体结构得以稳定。
CH3NH3PbI 晶体结构示意图
5
带隙（Bandgap）
直接带隙 根据肖克利-奎伊瑟极限 （Shockley–Queisser Limit），单结太阳能电池的效率存在 极限值，大约为33 %，这个效率值对应的能隙大约为1.34 eV，而钙钛矿（ MAPbI3） 是1.5 eV，与这个数值十分接近。
当p-CH3NH3PbI3层的厚度从300nm增加到1500nm时，ZnO：Al / CH3NH3PbI3和FTO / CH3NH3PbI3的J-V特性和QE均显着单调增加。 在 CH3NH3PbI3的厚度超过1000nm之后，性能的改善变得更慢。 当 CH3NH3PbI3的厚度增加时，QE主要在约400nm的波长范围内增加
PSCs的物理模型与仿真
汇报人：学号：
目录
1
钙钛矿电池简介
2
光物理过程
3
相关模型的研究现状
4
一些想法
What?
钙钛矿晶体结构(ABX3)
钙钛矿晶体结构示意图
A:CH3NH3、CH3CH2NH3+、NH2CH=NH2+等 B: Pb+、Nb+、Ti4+、Fe3+等 X: Cl–、Br–、I–、O2–等
但是目前还没有达成完全的一致，还在争论中
扩散长度
C. Sum 和N. Mathews的团队们合作，利用CH3NH3PbI3具有选择 性的电子和空穴提取的异质结飞秒瞬态光谱（时间分辨的光致发光和 瞬态吸收），来研究这种材料的电子和空穴的动力学。利用扩散模型 和保守的近似，结果显示其平衡和远程电子空穴的扩散长度至少为 100纳米。 掺氯钙钛矿的扩散长度大于1μm，吸收深度只有175nm（600nm处）
(b) Samples #2 (Type-2 (p-p-n), efficiency = 11.1%, JSC = 21.9 mA/cm2, VOC = 0.75 V, FF = 64%).
(c) Samples #3 (Type- 3 (n-i-p), efficiency = 15.4%, JSC = 21.5 mA/cm2,VOC = 1.07 V, FF = 67%).
建模思路：分析物理过程之后，将微观物理量与宏观物理量联系起来， 如果微观量能很好地用数学模型表征宏观量，并具有较强的泛化能力， 那么就建模成功。
现有研究一
《A Physics-Based Analytical Model for PSCs》 Xingshu Sun等人
通过求解吸收体内的稳态电子和空穴连续性方程，可以建立一个解析模型：
Shockley等建立的平衡方程条件：
(1) Carrier populations obey MaxwellBoltzman statistics. (2) Radiative band-to-band (bimolecular) recombination mechanism is the only one existing. (3) Internal conversion efficiency reaches 100%. (4) Photon recycling effect occurs in the cell
1
钙钛矿电池简介
2
光物理过程
3 相关理论和模型的研究现状
4
一些想法
光物理回顾
在接受太阳光照射时，钙钛矿层首先吸收光子产生电子-空穴对。由于钙钛矿材激子 束缚能的差异，这些载流子或者成为自由载流子，或者形成激子。而且，因为这些 钙钛矿材料往往具有较低的载流子复合几率和较高的载流子迁移率，所以载流子的 扩散距离和寿命较长
模型参数 仿真结果，电流-电压曲线
现有研究三
《Numerical simulation of PSCs》 Tao Wang等人
该研究涉及到两类结构：
根据仿真结果，即使除去传统 的HTL和ETL，如SpiroOMeTAD和TiO2，可以通过选 择合适的TCOs和p型钙钛矿的 组合来获得结构简单的高PCE 的PSCs。s by AFORS-HET-ID Program》 Казахстан, г. Алматы等人 利用现有软件中已有的模型（CIGS等），建模研究膜厚度对电 池效率的影响
17％
各种钙钛矿厚度的量子效率图
现有研究五
《The Efficiency Limit of CH3NH3PbI3 Perovskite Solar Cells》 香港大学
CH3NH3PbI 能带图
器件结构
钙钛矿太阳能电池两种结构
介孔结构（左）
平面异质结构（右）
7
目录
1
钙钛矿电池简介
2
光物理过程
3
相关模型的研究现状
4
一些想法
光物理
原理示意图/P-I-N“三明治”结
当钙钛矿吸收层吸收太阳光受激后，产生电子空穴对，激子在吸 收层运动至ETM/钙钛矿吸收层/HTM界面后发生分离，电子注入ETM 层（阴极），空穴注入到HTM（阳极），最后经外部电路循环在金属 对电极复合形成回路电流。