光伏材料的计算模拟与器件仿真

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概述

光伏材料与器件是实现太阳光能直接转化为电能的一种重要途径,更广泛的光电转换材料与器件则可以应用于光信号传感器等领域。基于半导体材料构造的异质结构是这类材料应用的关键,一般来说影响光电转换效率的因素有:材料吸光能力、电子空穴对分离效率、载流子迁移效率。使用 QuantumATK 可以方便的研究:

  • 多层结构建模
    • 高级的多层结构界面建模工具,支持直接构建任意层数的多层结构,控制每层的取向等
  • 复杂体系的结构优化和动力学
    • 对超大体系使用机器学习力场(MTP)进行优化
    • 机器学习模型支持对缺陷、界面和无定形结构进行训练
  • 半导体材料的准确带隙和光吸收
  • 半导体材料的载流子有效质量和迁移率
    • 采用完整的电声耦合方法
  • 半导体材料的点缺陷
    • 直观、智能的点缺陷建模工具
    • 计算点缺陷的形成能和缺陷捕获能级
    • 自动化的缺陷扩散动力学研究工具
  • 半导体异质结构的能带排列
  • 异质结器件的光生电流和开路电压

应用案例


实例1:探索钙钛矿锡基光伏太阳能电池性能的非平衡格林函数与宏观途径

此项研究使用两种计算方法来研究混合钙钛矿型锡基光伏太阳能电池。第一种方法基于电子输运性质计算,结合了密度泛函理论和非平衡格林函数理论。作者研究了透射谱和态密度。结果表明,由于电子态的离域化,从 MASnI3 到 MASnBr3 的输运带隙减小,表现出较大的电子输运能力。第二种方法是基于漂移扩散方法模拟,发现钙钛矿-锡基混合光伏电池的参数明显依赖于钙钛矿吸收层的厚度。表面复合速度在 1~10 cm/s 和 102~103 cm/s 范围内,MASnIBr2 和 MASnBr3 的效率分别达到 16.07% 和 12.52%,可以提高太阳能电池的性能。

详见:


实例2:二维材料的结构电子态模拟image001(09-02-15-35-59)

论文作者对实验上得到的多层结构进行了模拟,得到了与实验一致的结果。文中使用DFT-D2范德华力泛函(注:QuantumATK最新版现已支持DFT-D3)对结构进行了优化,用GGA进行了结合能的计算,使用MetaGGA进行了精确带隙的计算。作为比较,又使用HSE06杂化泛函的DOS计算。注:新版的QuantumATK中LCAO基组已经支持HSE06杂化泛函,并能够进行超快的电子态计算。

详见:


实例3:机器学习研究钙钛矿光伏材料的稳定性和带隙

钙钛矿的成分调控让人们能够精确控制其在光伏应用所需的材料性能。然而,同时解决效率、稳定性和毒性仍然是很大的挑战。混合的无铅钙钛矿和无机钙钛矿最近显示出了解决此类问题的潜力,不过它们的组分空间巨大,即使采用高通量方法也很难发现有希望的候选结构。此项研究通过使用由密度泛函理论生成的344个钙钛矿的新数据库,使用与元素无关的通用指纹信息的机器学习方法可以快速而准确地预测关键属性。使用验证子集预测的带隙、形成能、和凸包距离分别在146 meV、15 meV/atom 和 11 meV/atom 内。得到的模型可以用于预测完全不同的化学组分空间中的趋势,并进行快速的组成和结构空间采样,而无需进行昂贵的从头算模拟。

详见:


实例4:界面处能带收窄导致CZTS太阳能电池开路电压损失(从原子到器件级别的多尺度模拟)

Cu2ZnSnS4(CZTS)是很有前景的薄膜光电功能材料。目前 CZTS 体系主要的问题是开路电压(OCV)很低,并且原因不明。本文从另外的角度来解释 OCV 损失。研究者使用 QuantumATK 计算了 CZTS 和 CdS 之间界面处的电子态(能带对齐)情况,并在界面处发现了一处很小的局域化的界面态。在进行器件级别模拟时,此界面态导致了显著的 OCV 衰减,本文给出的计算结果与文献中报道的目前 CZTS 光电池器件测量结果定量的吻合。

详见:


实例5:电子输运与载流子性质

QuantumATK支持直接计算材料中的电声耦合,并得到载流子的输运性质,包括费米面形状、载流子有效质量、载流子迁移率、霍尔系数、热电塞贝克(Seebeck)系数等。这对评估电子材料的可用性提供了直接的标准。

详见:


实例6:半导体异质结的光生电流与温度效应

QuantumATK支持直接构造异质结模型,计算在特定频率或太阳光谱照射下的光电流密度,并进一步得到开路电压;在此基础上,可以采用QuantumATK特有的STD方法考虑温度(电声耦合)效应,得到的温度对开率电压的影响与实验吻合非常好。

详见:


实例7:Janus 光电池器件

上述方法又用于一种新的堆叠 Janus 光电池器件。基于最新发现的二维材料MoSSe的超薄(0.5-1nm)器件可以产生的光电流和外量子效率(EQE)比 20-40 倍厚的硅基器件还要大。

详见:


部分相关论文

  • Chao He. Inorganic photovoltaic cells based on BiFeO3: spontaneous polarization, lattice matching, light polarization and their relationship with photovoltaic performance. Phys. Chem. Chem. Phys., 2020,22, 8658-8666 (https://doi.org/10.1039/D0CP01176B)
  • Mayengbam, R.; Tripathy, S. K. & Palai, G. First-Principle Insights of Electronic and Optical Properties of Cubic Organic–Inorganic MAGexPb(1–x)I3 Perovskites for Photovoltaic Applications. The Journal of Physical Chemistry C, American Chemical Society (ACS), 2018, 122, 28245-28255
  • Berdiyorov, G.; Madjet, M. & El-Mellouhi, F. Improved electronic transport properties of tin-halide perovskites
    Solar Energy Materials and Solar Cells, Elsevier BV, 2017, 170, 8-12
  • Berdiyorov, G.; Carignano, M. & Madjet, M. Effect of hydrostatic strain on the electronic transport properties of CsPbI3.
    Computational Materials Science, Elsevier BV, 2017, 137, 314-317
  • Berdiyorov, G.; El-Mellouhi, F.; Madjet, M.; Alharbi, F.; Peeters, F. & Kais, S. Effect of halide-mixing on the electronic transport properties of organometallic perovskites. Solar Energy Materials and Solar Cells, Elsevier BV, 2016, 148, 2-10
  • Berdiyorov, G. R.; El-Mellouhi, F.; Madjet, M. E.; Alharbi, F. H. & Rashkeev, S. N. Electronic transport in organometallic perovskite CH3NH3PbI3: The role of organic cation orientations. Applied Physics Letters, AIP Publishing, 2016, 108, 053901
  • Berdiyorov, G.; Madjet, M.; El-Mellouhi, F. & Peeters, F. Effect of crystal structure on the electronic transport properties of the organometallic perovskite CH3NH3PbI3. Solar Energy Materials and Solar Cells, Elsevier BV, 2016, 148, 60-66

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