钙钛矿太阳能电池的光捕获与寄生吸收

Ball 等（2015）：使用论文材料折射率对标光捕获光谱与光学损失

作者Luke Cole

Optical properties and limiting photocurrent of thin-film perovskite solar cells

作者： James M. Ball、Samuel D. Stranks 等

期刊： Energy & Environmental Science 8, 602–609（2015） · 对照目标： Figure 4a 光捕获、Figure 4c 与 p. 606 光学损失

薄膜钙钛矿太阳能电池中，透明电极、吸收层、空穴传输层和金属背电极共同决定入射光的吸收位置。Ball 等研究甲胺铅碘钙钛矿（MAPbI₃）器件，利用测得的复折射率和传递矩阵法区分有源区吸收、寄生吸收以及反射与透射损失，进而计算理想光电流上限。

Figure 4a 给出有源区的光捕获效率（LHE），Figure 4c 拆分光学损失。本案例在 Dreapex TMM 中重建作者附件默认结构，将光捕获光谱和损失电流与附件计算及论文正文对照。理想电流假设每个被有源区吸收的光子贡献一个电子。

原图未确认商业再利用授权，本页不转载，见论文原文与补充材料。论文损失值取自 p. 606，参考光谱由作者附件计算得到。

结构

光从空气进入玻璃，依次通过下表各层，到达 Au 背电极；Top Medium 与 Bottom Medium 均为空气，折射率为 1。表中沿用作者附件的层名与厚度，玻璃采用非相干处理，其余层采用相干处理。

膜层	厚度	层状态
SodaLime	2000 nm	`Inco.`
SnO2	28 nm	无
SiO2	23 nm	无
FTO	340 nm	无
FTema	29 nm	无
TPema	41 nm	无
Perov	492 nm	无
SpOxema	253 nm	无
Au	30 nm	无

Perov 是 MAPbI₃ 吸收层，FTO 是氟掺杂氧化锡透明电极。FTema 与 TPema 分别是 FTO/TiO₂ 和 TiO₂/MAPbI₃ 界面的有效介质层，SpOxema 是掺杂的 Spiro-OMeTAD 空穴传输层。有效介质层的折射率 n 和消光系数 k 直接使用附件数据。

材料折射率取自论文补充 ZIP 的 n_k data.csv。将每种材料保存为波长、n、k 三列文件；波长单位为 nm，n 为折射率，k 为消光系数。论文数据：Perov 折射率文件可直接下载。

进入 Structure，用 Add 按表建立九层。各层选择 File，用 Upload 导入材料，Interpolation 选 Linear；仅 SodaLime 启用 Inco.，各层 Emis. 与 Tran. 关闭。上下介质选择 Constant，名称为 Air-in 与 Air-out，n 为 1，底部 k 为 0。

九层结构、原始材料色散和非相干玻璃设置

材料与光谱输入

九层色散覆盖 301–899 nm，间隔 1 nm。Perov 下载文件来自 refractiveindex.info 的 Ball 数据条目，镜像采用 CC0；599 点与原附件逐点一致。
后续电流积分使用同一 ZIP 的 AM15 spectrum.csv，光谱功率密度单位为 mW/cm²/nm。完整光谱积分约为 100.037 mW/cm²，保留原始强度，不重新归一化。

下载文件 perov.nk 与截图中的 Perov 使用同一份数据。

光学设置

进入 Optics，在 Propagation 中启用 Reflectance (R)、Transmittance (T)、Absorptance (A) 和 Layer Absorption。前两项给出离开器件的光，后两项用于核对总吸收和逐层吸收。

界面字段	设置
`Wavelength Mode`	`Sweep`
`From (nm)`	340
`To (nm)`	795
`Step (nm)`	1
`Incident Angle`	0°
`Polarization Ratio (p-polarization)`	0.5
`Cone Angle`	关闭
`Incident Spectrum`	关闭

偏振比例为 0.5 表示 s、p 偏振各占一半。关闭 Incident Spectrum 后得到相对于入射功率的光学比例，太阳光谱在电流积分时单独加权。

340–795 nm 正入射、四项传播探测器和光谱开关

未配置优化目标与变量时，界面提示需要调整 Optimizer 参数；这些提示不影响本案例的 Run。

点击工具栏 Run，完成后进入 Layer Absorption。选择 Stack 可同时查看各层的吸收比例。

光捕获光谱与光学损失对照

有源区吸收光谱（Figure 4a）

作者将 TPema 与 Perov 的吸收率之和定义为光捕获效率（Light-Harvesting Efficiency，LHE），两层共同构成模型的有源区。下图为同一次 Run 的逐层吸收结果。

默认结构的真实逐层吸收堆叠光谱

在 Reflectance 和 Transmittance 结果页读取反射率 R 与透射率 T，均使用 Total。下列两页保留原始比例，与层吸收使用同一入射功率基准。

默认结构的真实反射率光谱

默认结构的真实透射率光谱

在 340–795 nm 的 456 个波长点上，Dreapex TMM 的 R、T 和 LHE 与作者附件计算逐点重合，LHE 最大绝对差约为 $3\times10^{-15}$ 。

作者附件计算与 Dreapex TMM 的光捕获效率、反射率和透射率逐点叠加 — 浅色实线为作者附件计算，深色虚线与空心标记为 Dreapex TMM；LHE 为 TPema 与 Perov 的吸收率之和。

Dreapex TMM 仿真数据：逐层吸收、R、T 与 LHE · 作者附件计算与 Dreapex TMM 对照数据

光学等效电流与损失（Figure 4c）

下表的电流由上述仿真光谱按太阳光子通量积分得到。有源区吸收对应理想光电流；反射、透射和非有源层吸收对应光学损失等效电流。各光谱保留相对于入射功率的比例，使用同一太阳光谱加权：

J_X=0.1q\int_{340}^{795}X(\lambda)S(\lambda)\frac{\lambda_{\mathrm m}}{hc}\,\mathrm d\lambda .

$J_X$ 是 mA/cm² 单位的电流密度，下标 $X$ 表示所选光学量； $X(\lambda)$ 为无量纲光学比例，可取 LHE、R+T 或指定层吸收率。 $\lambda$ 是 nm 单位的波长， $\lambda_{\mathrm m}=10^{-9}\lambda$ 是 m 单位的波长，下标 m 表示以米计。

$S(\lambda)$ 是 W/m²/nm 单位的太阳光谱功率密度，由原文件数值乘以 10 得到。系数 0.1 将 A/m² 换算为 mA/cm²。

$q$ 是元电荷， $h$ 是普朗克常数， $c$ 是真空光速，分别沿用附件中的 $1.602\times10^{-19}$ C、 $6.626\times10^{-34}$ J·s 和 $2.998\times10^8$ m/s。积分范围为 340–795 nm，采用附件的 Simpson 积分方法。

指标，340–795 nm	论文 p. 606，mA/cm²	Dreapex TMM，mA/cm²
反射与透射损失 R+T	1.36	1.358
FTO 吸收损失	1.38	1.382
总寄生吸收损失	1.72	1.720

总寄生吸收包括除 TPema 与 Perov 以外的全部有限厚度层，FTO 已包含在其中。三项计算结果按论文的小数位数舍入后，与正文数值一致；FTO 占总寄生吸收等效电流约 80%。

论文正文三项光学损失与真实计算积分值的对照 — 灰色为论文 p. 606 的舍入数值，蓝色为上述同次计算光谱积分；FTO 损失属于总寄生吸收。

用于损失积分的同次 Layer Absorption 结果，包含 FTO 与其他寄生吸收层

论文正文与 Dreapex TMM 仿真对照数据：三项损失电流

TPema 与 Perov 分别贡献 4.123 和 19.462 mA/cm²，合计 23.584 mA/cm²，与作者附件计算一致。论文正文的约 23.8 mA/cm² 还包含 340 nm 以下光子的估计贡献，积分范围与此处不同。

偏差说明

结构和全部 n、k 使用作者附件默认输入，无材料替代。附件将 SodaLime 设为 2000 nm，本案例保留该值；玻璃仍作为非相干层处理。
本次光谱和损失积分限定在 340–795 nm。论文约 23.8 mA/cm² 的短波补偿值与本次 23.584 mA/cm² 使用不同积分范围。
Figure 4b 的厚度包含有效介质层，其内量子效率计算还需要 ZIP 中未提供的测量文件，因此本案例未复现该厚度扫描。

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