[论文解读] Integrating transfer matrix method into SCAPS-1D for addressing optical losses and per-layer optical properties in perovskite/Silicon tandem solar cells

Peymaneh Rafieipour, Aminreza Mohandes+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2023

Perovskite Materials and Applications被引用 4

一句话总结

该论文将传输矩阵（TM）方法集成到SCAPS-1D中，以精确模拟钙钛矿/硅叠层太阳能电池中各层的光学损耗，并提升光伏性能。通过用TM方法替代传统的比尔-朗伯法，效率高估现象减少约4%，并实现了对复合结（RJ）层的优化，使器件效率从19.81%提升至23.10%，同时引入了ITO过渡层。

ABSTRACT

SCAPS-1D software ignores optical losses and recombination junction (RJ) layer in studying tandem solar cells (TSCs). This paper presents an optoelectronic study of a perovskite/Silicon TSC, comparing the effects of using two different methods of calculating filtered spectra on the photovoltaic performance parameters of tandem device. It is shown that integrating transfer matrix (TM) method into SCAPS-1D addresses per-layer optical losses and provides a platform for optimizing the RJ layer in TSCs. Using Beer-Lambert (BL) method for calculating the filtered spectra transmitted from the perovskite top sub-cell is revealed to overestimate the cell efficiency by ~4%, due to its inability to fully address optical losses. Also, the BL method fails to tackle any issues regarding optical improvement through ITO ad-layer on the RJ. Using TM formalism, the efficiency of the proposed perovskite/Silicon TSC is shown to be increased from 19.81% to 23.10%, by introducing the ITO ad-layer on the RJ. It is the first time that the effect of filtered spectrum calculation method is clearly investigated in simulating TSCs with SCAPS-1D. The results pave the way to introduce the optical loss effects in SCAPS-1D and demonstrate that the BL method that has been used before needs to be revised.

研究动机与目标

• 解决在SCAPS-1D对叠层太阳能电池进行仿真时长期存在的光学损耗及各层光学特性被忽略的问题。
• 评估不同滤波光谱计算方法——特别是比尔-朗伯法（BL）与传输矩阵法（TM）——对光伏性能指标的影响。
• 证明将TM方法集成到SCAPS-1D中以精确模拟钙钛矿/硅叠层器件中光学现象的可行性和优势。
• 研究在复合结处引入ITO过渡层对光学透射率及整体器件效率的增强作用。

提出的方法

• 将传输矩阵（TM）方法引入SCAPS-1D，用于模拟钙钛矿/硅叠层太阳能电池结构中各层的光学透射、反射和吸收特性。
• TM公式考虑了干涉效应和各层特有的光学性质，从而能够精确计算通过器件堆叠的滤波光谱。
• 采用比尔-朗伯（BL）方法作为对比基准，该方法假设光强呈指数衰减，但未考虑干涉效应或多层光学耦合。
• 将仿真框架应用于标准钙钛矿/硅叠层电池结构，其中包含复合结（RJ）层，并引入ITO过渡层以增强光学性能。
• 基于实验数据或文献值，为各层分配折射率和消光系数等光学参数。
• 提取并比较BL方法与TM方法在短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）及效率等光伏性能指标上的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SCAPS-1D中，选择不同的滤波光谱计算方法（比尔-朗伯法与传输矩阵法）如何影响钙钛矿/硅叠层太阳能电池的模拟效率？
• RQ2 由于无法准确建模光学损耗，BL方法在多大程度上高估了器件效率？
• RQ3 将TM方法集成到SCAPS-1D中，是否能够有效优化复合结层以提升光学透射性能？
• RQ4 在复合结处添加ITO过渡层对整体光学与电学性能有何影响？
• RQ5 基于TM的仿真是否揭示了此前未被计入的显著光学损耗，从而显著影响器件性能？

主要发现

• 由于无法准确建模干涉效应和各层光学损耗，比尔-朗伯法导致叠层电池效率被高估约4%。
• 传输矩阵法揭示了钙钛矿顶电池和复合结层中的光学损耗显著，且在SCAPS-1D仿真中此前被严重低估。
• 在使用TM方法时，于复合结处引入ITO过渡层可使器件效率从19.81%提升至23.10%，证明了精确光学建模的重要性。
• TM方法能够准确评估纳米结构或掺杂层（如ITO）带来的光学性能改善，而BL方法无法捕捉此类效应。
• 本研究首次在SCAPS-1D中对BL与TM方法在叠层太阳能电池中的应用进行了直接比较，证明BL方法必须进行修正才能实现可靠仿真。
• 将TM方法集成到SCAPS-1D中，为钙钛矿/硅叠层太阳能电池的光学设计优化提供了稳健的平台。