CodeStructure.md

HelioSim: 优化的太阳能电池漂移扩散模型代码结构

核心文件

1. SolarCellParamsOptimized.m

• 太阳能电池参数类
• 包含物理常数、材料参数和网格设置
• 专门针对钙钛矿太阳能电池进行了优化
• 提供方便的参数设置方法

2. DDSolverChebfunOptimized.m

• 使用Chebfun谱方法的漂移扩散方程求解器
• 实现泊松方程和连续性方程的高精度求解
• 集成了界面处理和Scharfetter-Gummel离散化
• 使用自适应时间步长和Newton迭代

3. RecombinationModelsOptimized.m

• 优化的复合模型
• 实现SRH、Auger和辐射复合
• 针对界面复合进行了特殊处理
• 支持能量依赖的陷阱模型

4. OpticalGenerationOptimized.m

• 光生载流子生成模型
• 实现Beer-Lambert吸收
• 支持波长依赖的吸收系数
• 针对钙钛矿材料进行了优化

5. JVAnalyzerOptimized.m

• J-V特性曲线分析器
• 计算开路电压、短路电流、填充因子和效率
• 实现最大功率点跟踪
• 优化的电压扫描算法

6. VisualizerOptimized.m

• 结果可视化工具
• 能带图绘制
• 载流子密度可视化
• J-V曲线绘制
• 电场分布可视化

7. main_perovskite_cell.m

• 钙钛矿太阳能电池的主脚本
• 设置参数和配置
• 运行模拟
• 分析和可视化结果

数据流

1. main_perovskite_cell.m 创建 SolarCellParamsOptimized 实例并设置参数
2. 创建 DDSolverChebfunOptimized 实例，传入参数和配置
3. 求解器内部创建 RecombinationModelsOptimized 和 OpticalGenerationOptimized 实例
4. 求解器求解漂移扩散方程并返回结果
5. 创建 JVAnalyzerOptimized 实例分析性能
6. 创建 VisualizerOptimized 实例可视化结果

算法优化

1. 空间离散化:

   • 使用Chebfun谱方法替代有限差分
   • 在界面处使用自适应网格细化
   • 实现高精度导数计算

2. 时间积分:

   • 使用隐式时间步进
   • 实现自适应时间步长
   • 使用Newton方法求解非线性方程组

3. 界面处理:

   • 使用Scharfetter-Gummel离散化
   • 考虑能带不连续性
   • 实现热电子发射模型

4. 复合模型:

   • 实现位置依赖的复合参数
   • 界面特定复合
   • 陷阱能级分布

钙钛矿太阳能电池模型

结构

• ETL: TiO2 (100 nm)
• 吸收层: MAPbI3 (500 nm)
• HTL: Spiro-OMeTAD (100 nm)

关键参数

• TiO2 (ETL):

  • 带隙: 3.2 eV
  • 电子亲和能: 4.0 eV
  • 介电常数: 9.0
  • 电子迁移率: 100 cm²/Vs
  • 施主掺杂: 1×10¹⁷ cm⁻³

• MAPbI3 (吸收层):

  • 带隙: 1.55 eV
  • 电子亲和能: 3.9 eV
  • 介电常数: 25.0
  • 电子/空穴迁移率: 20 cm²/Vs
  • 本征(无掺杂)
  • 载流子寿命: 1 μs

• Spiro-OMeTAD (HTL):

  • 带隙: 3.0 eV
  • 电子亲和能: 2.1 eV
  • 介电常数: 3.0
  • 空穴迁移率: 50 cm²/Vs
  • 受主掺杂: 1×10¹⁷ cm⁻³

界面参数

• ETL/吸收层界面复合速率: 10⁴ cm/s
• 吸收层/HTL界面复合速率: 10⁴ cm/s

预期性能

• 开路电压(Voc): ~1.0-1.1 V
• 短路电流(Jsc): ~22-24 mA/cm²
• 填充因子(FF): ~0.75-0.80
• 光电转换效率(PCE): ~18-22%