钙钛矿能级结构

钙钛矿太阳能电池构造钙钛矿太阳能电池是一种新型的太阳能电池技术，具有高效能转化、低成本、易制备等优点，被广泛认为是未来太阳能电池的发展方向之一。

本文将从钙钛矿太阳能电池的构造、工作原理和应用前景等方面进行介绍。

一、钙钛矿太阳能电池的构造钙钛矿太阳能电池由多个层次的结构组成，主要包括透明导电玻璃基底、导电层、钙钛矿层、电解质层、电子传输层和反射层等。

其中，透明导电玻璃基底用于支撑电池结构并透过太阳光；导电层用于收集电荷并输送电流；钙钛矿层是光吸收层并产生电子和空穴对；电解质层用于电子和空穴的传输；电子传输层用于收集电子；反射层用于提高光的利用效率。

二、钙钛矿太阳能电池的工作原理钙钛矿太阳能电池的工作原理是基于光电效应。

当太阳光照射到钙钛矿层上时，光子的能量被转化为电子和空穴对。

这些电子和空穴对会在电场的作用下分离，电子被导电层收集，而空穴则由电解质层传输到反射层。

导电层和反射层之间形成了电势差，使电子在电子传输层中流动，从而产生电流。

这样，光能被转化为电能。

三、钙钛矿太阳能电池的应用前景由于钙钛矿太阳能电池具有高效能转化、低成本、易制备等优点，其在太阳能领域具有广阔的应用前景。

首先，钙钛矿太阳能电池的效率较高，已经超过了传统硅基太阳能电池，能够更有效地利用太阳能资源。

其次，钙钛矿太阳能电池的制备工艺相对简单，成本较低，有望实现大规模生产。

此外，钙钛矿材料可用于柔性电子器件的制备，有很大的应用潜力。

四、钙钛矿太阳能电池的挑战与改进方向尽管钙钛矿太阳能电池具有巨大的潜力，但其也面临一些挑战。

首先，钙钛矿材料对湿度和氧气敏感，对环境要求较高，稳定性有待提高。

其次，钙钛矿太阳能电池在长时间使用后会出现性能衰减，寿命仍然较短，需要进一步改进。

此外，钙钛矿材料中存在铅等有毒元素，对环境和人体健康造成一定的风险。

为了克服这些挑战，科研人员正在不断努力。

一方面，他们致力于改进钙钛矿材料的稳定性，寻找更稳定的替代材料，提高太阳能电池的使用寿命。

一、钙钛矿结构示意图钙钛矿型复合氧化物是结构与钙钛矿CaTiO3相同的一大类化合物，钙钛矿结构可以用ABO3表示（见上图），A位为稀土元素，阳离子呈12配位结构，位于由八面体构成的空穴内；B位为过渡金属元素，阳离子与六个氧离子形成八面体配位。

钙钛矿型催化剂在中高温活性高，热稳定性好，成本低。

研究发现，表面吸附氧和晶格氧同时影响钙钛矿催化活性。

较低温度时，表面吸附氧起主要的氧化作用，这类吸附氧能力由B位置金属决定；温度较高时，晶格氧起作用，不仅改变A、B 位置的金属元素可以调节晶格氧数量和活性，用+2或+4价的原子部分替代晶格中+3价的A、B原子也能产生晶格缺陷或晶格氧，进而提高催化活性。

二、双钙钛矿结构示意图近年来，双钙钛矿型氧化物得到了越来越广泛的关注，双钙钛矿的通式可表示为A2B’B’’O6，标准的A2B’B’’O6型氧化物可以看作是由不同的BO6八面体规则的相间排列而成。

一般情况下B′和B″是不同的过渡金属离子，其晶体结构如图2所示。

A2B’B’’O6结构双层钙钛矿型复合氧化物呈NaCl型结构相见排列。

多数情况下双层钙钛矿氧化物结构也将发生畸变，它的结构一般由离子大小、电子组态和离子间相互作用等决定，而且双钙钛矿结构中B’O6和B’’O6八面体的稳定性对整个结构的稳定性起着很重要的作用，B′位、B″位离子相应的氧化物越稳定，则钙钛矿结构越稳定。

双钙钛矿型复合氧化物的制备近年已成为材料科学的重要发展方向。

从理论角度上看，双钙钛矿氧化物材料可以提供更加丰富的变换组合，给研究者提供了广阔的研究空间。

Sr2FeMoO6属于典型的A2B’B’’O6结构氧化物，其理想形式为Fe3+和Mo5+分别有序地占据B′和B″位置，FeO6八面体和MoO6八面体在三维空间以共角顶的方式相间排列组成三维框架，Sr2+则填充在由8个八面体所围成的空隙的中心位置，如上图所示。

实际上，由于占据A位、B′位及B″位的Sr2+、Fe3+、Mo5+并不是像标准立方双钙钛矿结构那样完全匹配，因此，在常温下其结构并非为立方对称，而是沿c轴方向有一个拉伸，畸变为四方对称结构。

钙钛矿nip结构钙钛矿(NIP)是一种重要的晶体结构，它由一种比较罕见的矿物组成。

该晶体结构具有一系列特殊的性质和应用，因此在材料科学领域受到广泛的关注和研究。

钙钛矿结构最早由英国科学家W. H. Zachariasen于1928年发现并描述。

它的结构特点是由氧化物阴离子排列成立方最密堆积的晶胞结构。

该结构的阴离子通常是氧离子(O2-)，而阳离子可以是钙离子(Ca2+)或钛离子(Ti4+)等。

这种结构是三元化合物晶体结构的典型例子。

钙钛矿结构的晶胞是由正方形的阴离子堆积构成，每个正方形堆积中有一个阳离子位于中心位置。

这种结构的一个重要特点是阳离子位于正方形的中心可以被替换，从而形成一系列不同的化合物。

这种结构的可替代性使得钙钛矿结构的材料具有丰富的物理和化学性质。

钙钛矿结构的应用非常广泛。

首先，钙钛矿结构具有良好的光学特性，因此在光学领域中被广泛应用。

例如，一些钙钛矿结构的化合物具有较高的折射率和光学透明性，可以作为光学器件的材料，如镜片、透镜和光学纤维等。

此外，钙钛矿结构的化合物还具有较大的光电转换效率，因此可以作为太阳能电池的光吸收层。

其次，钙钛矿结构的化合物在电子领域也有重要的应用。

一些钙钛矿化合物具有金属或半导体的导电性质，可以用于制备电子器件，如晶体管、集成电路和传感器等。

特别是一种称为钙钛矿钛酸锰的化合物，具有独特的多铁性质，不仅能够显示磁性，还能够显示铁电性，因此在信息存储和传输方面具有巨大的潜力。

此外，钙钛矿结构的化合物还具有许多其他特殊的性质和应用。

例如，一些钙钛矿化合物具有发光性质，可以作为荧光粉或LED器件的材料。

一些钙钛矿化合物还具有催化活性，可以用于催化反应或制备催化剂。

此外，还有一些钙钛矿化合物具有较高的磁性和超导性质，可以应用于磁性材料和超导材料的制备。

总的来说，钙钛矿结构是一种非常特殊和重要的晶体结构。

它具有丰富的性质和应用潜力，可以应用于光电、电子、磁性、催化等多个领域。

钙钛矿结构及相关功能材料
钙钛矿是一种特殊的晶体结构，具有广泛的应用潜力。

它的晶格结构是由钙离子和钛离子组成的，具体化学式为ABX3，其中A代表一种正离子，B代表一种过渡金属离子，X代表一种阴离子。

钙钛矿结构可以被描述为一个由组成晶体的大量离子构成的三维网格，这些离子通过离子键连接在一起。

1.光电材料：钙钛矿晶体具有较高的光吸收效率和较低的载流子再复合率，这使得它们成为太阳能电池中的理想材料。

其中最著名的是有机无机杂化钙钛矿材料，如甲基铅溴钙钛矿（CH3NH3PbBr3）。

这些材料具有高效的光吸收和转换效率，可以用于制造高效能太阳能电池。

2.光催化材料：一些钙钛矿材料具有良好的光催化性能。

例如，钙钛矿材料钙钛矿-氮化铟（CaTiO3-InN）复合材料在可见光下具有较高的光催化活性，可用于光催化水分解产生氢气。

3.电子器件：钙钛矿材料被广泛应用于各种电子器件中，如传感器、电容器和电阻器。

由于其良好的电子导电性和介电性，钙钛矿材料可以用于制备高性能的电子器件。

4.光学材料：钙钛矿晶体具有优异的光学性能，如高折射率和较低的吸收率。

因此，它们被广泛应用于光学镜片、光学纤维和光学传感器等领域。

5.荧光材料：一些钙钛矿材料具有良好的荧光性能，可用于制备荧光标记物、显示屏和发光二极管（LED）等。

6.超导材料：一些钙钛矿材料在低温下表现出超导性质。

例如，镍酒石酸钙钛矿（Bi2Ca2Mn2O4）是一种高温超导材料。

总而言之，钙钛矿结构具有丰富的性质和广泛的应用潜力。

通过对其结构和特性的深入研究，人们可以发现和设计出更多具有新颖功能和应用的钙钛矿材料。

钙钛矿界面复合问题一、引言钙钛矿材料因其独特的光电性能在太阳能电池、LED等光电器件领域具有广泛的应用前景。

然而，钙钛矿界面复合问题一直是限制其性能提升的关键因素之一。

本文将从界面电荷传输、界面结构特性、界面缺陷、界面复合动力学和界面电荷转移等方面对钙钛矿界面复合问题进行深入探讨。

二、界面电荷传输界面电荷传输是钙钛矿太阳能电池等器件中光生电子-空穴对分离和传输的关键过程。

研究表明，钙钛矿材料与电极之间的界面接触会影响电荷的传输效率。

通过优化钙钛矿与电极之间的界面结构，提高界面电荷传输效率，可以有效提高器件性能。

三、界面结构特性界面结构特性对钙钛矿材料的光电性能有着重要影响。

研究发现在钙钛矿/电极界面上存在的界面能级结构会引入界面复合过程，降低器件性能。

通过深入研究界面结构特性，可以揭示其与界面复合问题的内在联系，为优化钙钛矿器件性能提供理论指导。

四、界面缺陷界面缺陷是导致钙钛矿材料性能下降的主要原因之一。

在钙钛矿/电极界面上，往往存在大量的缺陷态，这些缺陷态会捕获光生电子-空穴对，导致界面复合过程的增加。

通过研究界面缺陷的形成机制及其对器件性能的影响，可以提出有效的界面修饰方法，降低界面复合速率，提高器件稳定性。

五、界面复合动力学界面复合动力学是描述光生电子-空穴对在界面上的复合过程的重要手段。

通过对界面复合动力学的深入研究，可以揭示不同温度、光照强度等条件下界面复合过程的速率变化规律，为优化钙钛矿器件的工作条件提供理论依据。

同时，还可以通过对比不同钙钛矿材料之间的界面复合动力学差异，为新材料的研发提供指导。

六、界面电荷转移在钙钛矿太阳能电池等器件中，光生电子-空穴对的分离和转移是决定器件性能的关键环节。

在钙钛矿/电极界面上，光生电子-空穴对通过电荷转移过程从钙钛矿层转移到电极层，实现电荷的收集和传输。

研究界面电荷转移过程有助于深入理解钙钛矿器件的工作机制，为优化器件性能提供新的思路。

七、结论本文从界面电荷传输、界面结构特性、界面缺陷、界面复合动力学和界面电荷转移等方面对钙钛矿界面复合问题进行了深入探讨。

钙钛矿太阳能电池的结构引言随着全球对可再生能源的需求不断增长，太阳能电池作为一种清洁、可持续的能源转换技术，受到了广泛关注。

钙钛矿太阳能电池作为新兴的太阳能电池技术，具有高效、低成本和易于制备等优势，被认为是未来太阳能电池领域的重要发展方向之一。

本文将详细介绍钙钛矿太阳能电池的结构及其工作原理。

结构钙钛矿太阳能电池通常由五个主要部分组成：透明导电玻璃衬底、导电氧化物薄膜、钙钛矿吸收层、电解质和反射层。

1. 透明导电玻璃衬底透明导电玻璃衬底是钙钛矿太阳能电池的基础材料之一。

它通常由氧化锡掺杂的二氧化锡（SnO2）或氧化铟锡（ITO）制成。

透明导电玻璃衬底具有高透过率和低电阻率的特性，能够有效地传输光电流和电子。

2. 导电氧化物薄膜导电氧化物薄膜位于透明导电玻璃衬底上方，用于提供电子传输路径。

常用的导电氧化物材料包括二氧化锡（SnO2）和氧化锌（ZnO）等。

导电氧化物薄膜具有良好的导电性和光学透明性，能够有效地收集并传输光生载流子。

3. 钙钛矿吸收层钙钛矿吸收层是钙钛矿太阳能电池的关键组成部分。

它通常由无机铅卤化物（如CH3NH3PbI3）构成，具有优异的光吸收和光电转换性能。

钙钛矿吸收层可以通过溶液法、气相沉积法等多种方法制备，并且可以调控其厚度和晶体结构以实现最佳的光吸收效果。

4. 电解质在钙钛矿太阳能电池中，常使用有机无机杂化钙钛矿材料作为电解质。

这种杂化钙钛矿材料既具有无机钙钛矿的良好电离能和稳定性，又具有有机材料的高载流子迁移率和可溶性。

电解质的作用是在光生载流子产生后，提供电子和空穴的传输通道，以实现光生载流子的有效分离。

5. 反射层为了增加光吸收效果，钙钛矿太阳能电池通常在背面加上反射层。

反射层由金属或导电聚合物制成，能够反射从吸收层透过的光线，使其再次经过吸收层以增加光吸收效果。

工作原理当光线照射到钙钛矿太阳能电池上时，发生以下几个基本步骤：1.光线穿过透明导电玻璃衬底并进入导电氧化物薄膜。

钙钛矿太阳能电池基本原理和制备方法2.1基本原理钙钛矿太阳能电池作为一种新出现的太阳能电池，其电池结构目前主要有两种，第一种是由染料敏化太阳能电池演化而来的“敏化”结构，此结构与染料敏化太阳能电池极为相似，具有高吸光性的钙钛矿材料作为光敏化剂，其层状结构的每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO2致密层、钙钛矿敏化的多孔TiO2或Al2O3层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1左。

第二种是平面异质结薄膜结构，其层状结构每一层物质依次为透明导电玻璃、ZnO或TiO2致密层、钙钛矿层、空穴传输层（HTMs）、金属电极，结构图如图2.1右。

这种结构下钙钛矿既是光吸收层又是电子传输层和空穴传输层，其优良性能被充分利用。

由于作为空穴传输层（HTMs）的Spiro-OMeTAD材料制备起来相对比较复杂和昂贵，因而无空穴传输层（HTMs）的钙钛矿太阳能电池的研发也成为科研热点。

图2.1 （a）“敏化”钙钛矿太阳能电池结构（b）平面异质结钙钛矿太阳能电池结构2.1.1“敏化”钙钛矿太阳能电池H.S.Kim等科学家制作出了光电转化效率为9.7％的敏化全固态钙钛矿太阳能电池，作为光吸收层的钙钛矿CH3NH3PbI3的光吸收系数很高，较薄的钙钛矿敏化的多孔TiO2层可以吸收大量的光源，因而电池可以产生高达17.6mA/cm2的短路电流密度。

此后tzelaGr 等科学家优化了电池制备方法，在TiO2光阳极表面上形成CH3NH3PbI3纳米晶，此纳米晶具有高吸附性和该覆盖性。

此方法使得太阳能电池光电转换效率达到15％，并且具有极高的稳定性，500小时后光电转化效率仍然达到一开始的80％.一维的TiO2纳米结构，包括纳米棒、纳米管、纳米线等，相比较于由TiO2纳米颗粒组成的薄膜，其电子传输效率更高，电子寿命更长，晶界的电荷复合效率更低。

TiO2薄膜因其有利于电子传输，具有恰当的能级，在传统的敏化结构太阳能电池中可以作为光阳极。

第52卷第11期2023年11月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.11November,2023Sn 基CH 3NH 3SnI 3钙钛矿太阳能电池性能计算与优化王传坤,陆成伟,欧阳雨洁,张胜军,郝艳玲(兴义民族师范学院物理与工程技术学院,兴义㊀562400)摘要:Sn 基钙钛矿材料因其无毒㊁较宽带隙和热稳定性成为太阳能电池研究领域的热点㊂本文利用SCAPS-1D 软件构建了结构为FTO /TiO 2/CH 3NH 3SnI 3/Spiro-OMeTAD /Ag 钙钛矿太阳能电池并对其相关性能进行了数值计算㊂研究了钙钛矿光吸收层厚度㊁空穴传输层厚度㊁空穴传输层和钙钛矿光吸收层间面缺陷,以及工作温度对器件性能的影响,然后对器件性能进行优化㊂经优化后,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为30.955%㊂通过理论分析进一步为提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提供了新的思路㊂关键词:钙钛矿太阳能电池;吸收层;界面层缺陷密度;光电转换效率;数值模拟;CH 3NH 3SnI 3中图分类号:TM914.4㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)11-2076-09Optimization and Numerical Simulation of Sn-Based CH 3NH 3SnI 3Perovskite Solar CellWANG Chuankun ,LU Chengwei ,OUYANG Yujie ,ZHANG Shengjun ,HAO Yanling (School of Physics and Engineering Technology,Minzu Normal University of Xingyi,Xingyi 562400,China)Abstract :With non-toxic nature,wide bandgap,and thermal stability,Sn-based perovskite materials have become a hot topic in the field of perovskite solar cell research.In this paper,the SCAPS-1D software was used to construct the FTO /TiO 2/CH 3NH 3SnI 3/Spiro-OMeTAD /Ag perovskite solar cells and the performances of the constructed cells were calculated.The effects of the thickness of absorption and hole buffer layer,the surface defects between hole buffer layer andabsorption layer,and the operating temperature on the device performance were studied,then the device performance was optimized.The photoelectric conversion efficiency of the optimized perovskite solar cell is 30.955%.The theoretical analysis suggests a new approach for enhancing the photoelectric conversion efficiency of perovskite solar cells.Key words :perovskite solar cell;absorption layer;interfacial defect density;photoelectric conversion efficiency;numerical simulation;CH 3NH 3SnI 3㊀㊀收稿日期:2023-05-11㊀㊀基金项目:兴义民族师范学院科研项目(21XYZD09,21XYZJ05,19XYJS05);黔西南州科技局科技计划(2021-2-37);贵州省教育厅拔尖人才项目(黔科教[2022]094);大学生创新创业训练课题(202210666116);兴义民族师范学院博士科研基金(23XYBS17)㊀㊀作者简介:王传坤(1985 ),男,安徽省人,博士,教授㊂E-mail:kunwang_xy@ 0㊀引㊀㊀言太阳能是取之不尽㊁用之不竭的清洁能源㊂太阳能电池利用太阳能辐射进行发电,是化石能源的理想替代者[1-3]㊂钙钛矿材料带隙易于调节㊁载流子迁移率较高,同时具有较宽的光谱吸收范围和较小的载流子复合率等特点[4-6],使得钙钛矿太阳能电池成为研究的热点㊂钙钛矿材料的化学通式可以用ABX 3表示,其中A 一般是CH 3NH 3离子,B 是Pb㊁Sn 或Ge 等离子,X 是Cl㊁Br 或I 离子等㊂2009年,Kojima 等[7]首次采用钙钛矿材料CH 3NH 3PbI 3作为光吸收层制备了钙钛矿太阳能电池,其光电转换效率为3.8%㊂随着制备工艺和新材料的不断出现,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率得到大幅提升㊂目前,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过了25%[8],但与无机太阳能电池相比,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率依然具有提升空间㊂㊀第11期王传坤等:Sn 基CH 3NH 3SnI 3钙钛矿太阳能电池性能计算与优化2077㊀钙钛矿太阳能电池典型的结构是p-i-n 异质结构,其结构主要包括空穴传输层㊁钙钛矿光吸收层和电子传输层㊂空穴传输层和电子传输层在钙钛矿太阳能电池中具有重要的作用㊂钙钛矿光吸收层吸收光子并产生电子-空穴对,在内建电场的作用下,空穴和电子通过相应的渠道传输到电极并形成电流㊂因此,载流子运输通道对钙钛矿太阳能电池的光电转换效率起到重要的作用㊂空穴传输层材料包括有机空穴传输层材料如Spiro-OMeTAD㊁PEDOTʒPSS 及P3HT 等[9-11],无机空穴传输层材料包括CuSCN㊁Cu 2O㊁CuO㊁CuI㊁SrCu 2O 2㊁CulnSe 2㊁NiO [12-13]等㊂Spiro-OMeTAD 是最常用的空穴传输层材料,该材料具有较小的分子量,同时具有较好的导电性㊂利用其制备的钙钛矿太阳能电池具有较高的光电转换效率[9]㊂电子传输层材料包括TiO 2㊁ZnO 和PCBM 等[14-16]㊂TiO 2是一种重要的电子传输层材料,该材料具有较高的电子迁移率㊁带隙较小㊁化学性质稳定㊁合成成本较低,以及对环境友好等特点[17]㊂同时,TiO 2的带隙比CH 3NH 3PbI 3带隙低0.3eV㊂因此,TiO 2材料更有利于电子从钙钛矿光吸收层进入电子传输层,进而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率㊂钙钛矿材料CH 3NH 3PbI 3含有毒的Pb 离子,该材料阻碍了钙钛矿太阳能电池的商业化发展,为了克服钙钛矿太阳能电池的毒性并使得钙钛矿太阳能电池具有较好的商业利用价值,必须寻找一种合适的离子替代Pb 离子㊂锡(Sn)和Pb 元素在同一主族,具有类似的化学性质㊂因此,可以用Sn 代替钙钛矿层中的Pb㊂CH 3NH 3SnI 3材料的带隙约为1.3eV,该材料的带隙明显小于CH 3NH 3Pb 3材料的带隙(~1.6eV)[18-19]㊂因此,CH 3NH 3SnI 3材料能在可见光范围内吸收更多的光子,进而提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率㊂Patel 等[20]利用SCAPS-1D 软件计算了CH 3NH 3SnI 3作为钙钛矿光吸收层时的钙钛矿电池的性能㊂该器件的短路电流密度(J sc )为40.14mA/cm 2,开路电压(V oc )为0.93V,填充因子(FF)㊁光电转换效率(PCE)分别为75.78%㊁28.39%㊂Mottakin 等[21]利用SCAPS-1D 软件设计了FTO /PCBM /CH 3NH 3SnI 3/CuO 结构的钙钛矿太阳能电池㊂经优化,该器件的光电转换效率为25.45%㊂Imani 等[12]研究了不同无机Cu 基空穴传输层的Sn 基钙钛矿太阳能电池,结果表明CuI 作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率最高为32.13%㊂Kanoun 等[22]利用Spiro-OMeTAD 作为空穴传输层,研究表明钙钛矿太阳能电池器件的光电转换效率为18.28%㊂Hunde 等[23]研究了TiO 2作为电子传输层㊁CH 3NH 3Pb 3作为光吸收层和Spiro-OMeTAD 作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的性能,计算结果表明,该器件最大的光电转换效率为20.42%㊂因此,钙钛矿太阳能电池的理论计算是一种优化太阳电池的参数和提高太阳能电池效率的合理方法㊂许多研究者利用SCAPS-1D 软件研究太阳能电池的开路电压㊁短路电流密度㊁填充因子和光电转换效率㊂本文利用SCAPS-1D 软件设计了基于无铅光吸收层FTO /TiO 2/CH 3NH 3SnI 3/Spiro-OMeTAD /Ag 钙钛矿太阳能电池结构并对该器件性能进行计算㊂研究钙钛矿光吸收层厚度㊁空穴传输层厚度㊁空穴传输层和钙钛矿光吸收层间缺陷及工作温度对FF㊁J sc ㊁PCE㊁V oc 和量子效率(QE)影响㊂优化后FTO /TiO 2/CH 3NH 3SnI 3/Spiro-OMeTAD /Ag 结构的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为30.955%㊂1㊀物理模型和材料参数研究表明,SCAPS-1D 软件设计的太阳能电池结构可以含有7层不同材料层㊂该软件通过基本半导体方程如泊松方程㊁空穴和电子方程得到太阳能电池的电流-电压特性曲线,光电转化曲线㊁光谱响应曲线,以及开路电压㊁短路电流密度㊁填充因子等参数㊂通过理论计算为进一步分析太阳能电池的各项性能提供理论参考㊂三个基本半导体方程如公式(1)~(3)所示㊂-∂∂x ε(x )∂V ∂x ()=q [p (x )n (x )+N +D (x )-N -A (x )+P t (x )-N t (x )](1)式中:V 是静电势,q 是电荷量,N D 和N A 分别为供体和受体密度,P t 和N t 分别为空穴和电子浓度㊂∂p ∂t =1q ∂J p ∂x +G p -R p (2)式中:J p 是空穴电流密度,G p 是空穴产生率,R p 是空穴复合率㊂∂n ∂t =1q ∂J n ∂x+G n -R n (3)2078㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷式中:J n是电子电流密度,G n是电子产生率,R n是电子复合率㊂电子传输方程可以利用式(4)表示㊂L n,p=㊀KB T q()μnpτnp(4)式中:L n,p是载流子的扩散长度,K B是玻尔兹曼常量,μnp是载流子迁移率,τnp是载流子寿命㊂开路电压可以用式(5)表示㊂V oc=ηK B T q ln I L I0+1()[](5)式中:V oc是开路电压,η是理想因子,I L是光照产生的电流,I0是反向饱和电流㊂在研究过程中,钙钛矿太阳能电池结构设定为FTO/TiO2/CH3NH3SnI3/Spiro-OMeTAD/Ag,如图1(a)所示㊂FTO是光透射率较高导电玻璃(FʒSnO2),同时该材料也作为阳电极,TiO2和Spiro-OMeTAD分别是电子传输层和空穴传输层㊂CH3NH3SnI3是钙钛矿材料光吸收层材料㊂TiO2㊁CH3NH3SnI3和Spiro-OMeTAD材料的能级如图1(b)所示,各层材料的计算参数如表1所示㊂其中,E g为材料带隙,χ为电子亲和势,εr为相对介电常数,N c和N v分别是有效导带密度和有效价带密度,μe和μp是电子迁移率和空穴迁移率㊂除表1中给出的相关参数外,材料各层所有缺陷态均为高斯,空穴传输层和电子传输层与钙钛矿材料之间的界面缺陷选择选择中间间隙,特征能量为0.6eV㊂图1㊀钙钛矿太阳能电池结构(a)和能级示意图(b)Fig.1㊀Structure of perovskite solar cell(a)and schematic illustration of energy level(b)表1㊀模拟器件中输入的参数Table1㊀Input parameters in the simulating devicesParameter Spiro-OMeTAD[24-25]CH3NH3SnI3[10-12]TiO2[25]FTO[26]d/μm0.10.50.20.1E g/eV3 1.3 3.2 3.5χ/eV 2.2 4.1744εr 3.08.299N c/cm-32ˑ10182ˑ1018 2.2ˑ1018 2.2ˑ1018N v/cm-3 1.8ˑ10191ˑ10191ˑ1019 1.9ˑ1019μe/(cm2㊃V-1㊃s-1)1ˑ1071ˑ1071ˑ1071ˑ107μn/(cm2㊃V-1㊃s-1)2ˑ10-4 1.6220μp/(cm2㊃V-1㊃s-1)2ˑ10-4 1.6180 N D/cm-3001ˑ10181ˑ1018N A/cm-32ˑ1019 1.3ˑ101700N t/cm-31ˑ10151ˑ10141ˑ10151ˑ1015㊀第11期王传坤等:Sn 基CH 3NH 3SnI 3钙钛矿太阳能电池性能计算与优化2079㊀2㊀结果与讨论根据表1给出的各层材料的参数如空穴传输层厚度为0.1μm,CH 3NH 3SnI 3厚度为0.5μm,温度T =300K时,利用SCAPS-1D 软件计算了未优化时钙钛矿太阳能电池光伏曲线和量子效率如图2所示㊂光照AM1.5时,钙钛矿太阳能电池的光伏曲线如图2(a)所示㊂从图2(a)可以看出钙钛矿太阳能电池具有良好的光伏特性㊂钙钛矿太阳能电池的开电路电压V oc 为1.025V,短路电流密度J sc 为32.782mA /cm 2,填充因子FF 为86.430%,光电转换效率PCE 为29.040%㊂图2(b)给出的是钙钛矿太阳能电池的量子效率QE 随波长变化曲线㊂从图2(b)可以看出,当波长为300nm 时,量子效率QE 约为60%,波长在300~430nm 处,量子效率QE 随着波长的增加而增加,最大量子效率QE 接近100%;波长在430~650nm 的量子效率QE 随着波长的增加而逐渐减小,但均在80%以上;当波长为650~960nm 时,钙钛矿太阳能电池的量子效率QE 随着波长的增加而降低㊂因此,钙钛矿太阳能电池在可见光区域具有较强的吸收率㊂图2㊀未优化的钙钛矿太阳能电池光伏曲线(a)和量子效率(b)Fig.2㊀I -V curve (a)and quantum efficiency (b)of unoptimized perovskite solar cells 研究表明,钙钛矿光吸收层厚度对钙钛矿太阳能电池的性能具有较大的影响㊂较厚钙钛矿光吸收层能够吸收更多的光子进而转化成电子和空穴㊂但随着钙钛矿光吸收层厚度的增加,电子和空穴传输路径也进一步地增加,从而会引起钙钛矿太阳能电池电子和空穴复合率的增加[14,27]㊂因此,优化钙钛矿光吸收层厚度对提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率具有重要的影响㊂本文进一步研究了在0.1~1.5μm 时,钙钛矿光吸收层材料CH 3NH 3SnI 3厚度对钙钛矿太阳能电池的性能的影响,如图3所示㊂从图3可以看出,钙钛矿光吸收层厚度对钙钛矿太阳能电池的开路电压影响较小,但对短路电流影响较大㊂开路电压㊁短路电流密度㊁填充因子和光转换效率随钙钛矿光吸收层厚度的变化关系如图4所示㊂从图4(a)可以看出,随着钙钛矿光吸图3㊀钙钛矿太阳能电池光伏曲线随光吸收层材料厚度变化曲线Fig.3㊀I -V curves of perovskite solar cells with absorber thickness 收层厚度的增加,开路电压逐渐减小㊂从公式(5)可以看出,开路电压的减小可能与饱和电流的增加(增加了电子-空穴对的复合)及光产生电流和暗饱和电流有关㊂随着钙钛矿光吸收层CH 3NH 3SnI 3厚度的增加,钙钛矿光吸收层能够吸收更多的光子,引起短路电流的增加,但是随着钙钛矿光吸收层厚度的增加,电子和空穴的扩散长度也随之增加,从而会在钙钛矿太阳能电池内部引起较大的复合率,进而导致短路电流减小㊂从图4(b)~(d)可以看出,当钙钛矿光吸收层为0.1~0.8μm 时,短路电流密度㊁填充因子和光电转换效率随着钙钛矿光吸收层厚度的增加而增加㊂当钙钛矿光吸收层为0.8~1.5μm 时,短路电流密度㊁填充因子和光电转换效率几乎趋近于饱和㊂2080㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷图4㊀钙钛矿太阳能电池性能参数随光吸收层厚度变化曲线Fig.4㊀Variation curves of the perovskite solar cells performance parameters with absorber thickness 空穴传输层位于钙钛矿光吸收层和金属电极之间,能有效减小电子和空穴的复合率,在钙钛矿太阳能电池中起到重要作用㊂同时,空穴传输层有利于收集钙钛矿材料中的空穴并将其转移到金属电极上[12]㊂计算过程中采用Spiro-OMeTAD 作为空穴传输层材料,该材料的相关参数如表1所示㊂钙钛矿太阳能电池性能随空穴传输层厚度的变化关系如图5所示㊂从图5(a)可以看出,当Spiro-OMeTAD 厚度小于0.1μm 时,随着空穴传输层材料Spiro-OMeTAD 厚度的增加,钙钛矿太阳能电池的开路电压具有减小的趋势,当Spiro-OMeTAD 厚度为1~1.5μm 时,开路电压先增加,然后趋于平稳,最后呈现减小的趋势㊂短路电流密度㊁填充因子和光电转换效率随着空穴传输层Spiro-OMeTAD 厚度的增加而线性减小㊂这是由于空穴传输层厚度增加时,电子和空穴的移动距离会增加,进一步增加了电子和空穴对的复合率㊂若空穴传输层厚度太薄,也会引起空穴和电子的复合率增加㊂因此,通过理论计算可知,该器件空穴传输层最佳厚度为0.1μm㊂光吸收层和空穴传输层界面间缺陷对钙钛矿太阳能电池的性能具有重要影响㊂因此,选择光吸收层和空穴传输层界面间缺陷变化范围为1ˑ106~1ˑ1013cm -2,研究了光吸收层和空穴传输层界面间缺陷对器件性能的影响㊂开路电压㊁电流密度㊁填充因子和转换效率随光吸收层和空穴传输层界面间缺陷的变化关系如图6所示㊂从图6可以看出,当光吸收层和空穴传输层界面间缺陷变化范围为1ˑ106~1ˑ1010cm -2时,开路电压㊁电流密度㊁填充因子和光电转换效率几乎不变㊂当光吸收层和空穴传输层界面间缺陷大于1ˑ1010cm -2时,开路电压㊁电流密度㊁填充因子及转换效率随界面缺陷的增加而降低,且降低趋势逐渐增大㊂根据公式τnp =1σnp νth N t 和l =㊀Dτ,其中σnp 是捕获电子空穴能力,νth 是电子-空穴热速度,D 是扩散系数,l 是扩散长度㊂从以上公式可以看出,随着界面缺陷的增加,电子和空穴复合率进一步增加,载流子扩散长度减小,从而减少了载流子的数量并增大反向饱和电流[28-29]㊂因此,钙钛矿太阳能电池的光电性能受光吸收层和空穴传输层界面间缺陷的影响㊂㊀第11期王传坤等:Sn基CH3NH3SnI3钙钛矿太阳能电池性能计算与优化2081㊀图5㊀钙钛矿太阳能电池性能参数随空穴传输层厚度变化曲线Fig.5㊀Variation curves of the perovskite solar cells performance parameters with hole transport thickness图6㊀钙钛矿太阳能电池性能参数随界面缺陷的变化Fig.6㊀Variation curves of the perovskite solar cells performance parameters with interface defect density2082㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷㊀㊀进一步探究了工作温度对钙钛矿太阳能电池的开路电压㊁电流密度㊁填充因子和转换效率的影响,如图7所示㊂在实际应用中钙钛矿太阳能电池的工作温度一般在300K左右㊂一般情况下,工作温度过高或过低都会影响太阳能电池的性能,温度过高会导致材料界面的缺陷产生更大的应力,以及引起钙钛矿材料发生畸变,从而造成钙钛矿太阳能的光电转换效率降低㊂研究发现,随着界面缺陷的增加也会导致材料中空穴和电子的复合率的增加,但电子和空穴的扩散长度减小,进而导致光电转换效率和开路电压随着温度的增加而降低[12]㊂通过计算发现,当温度T=280K时,该器件的填充因子最大㊂但短路电流密度随着温度的增加略微增加㊂由于材料的带隙㊁载流子迁移率等受到温度的影响,随着温度的增加,在材料的界面层之间可能会产生更多的载流子进而减少载流子的复合,从而增加了短路电流密度㊂通过计算发现该器件在温度T=260K 时获得最大的光电转换效率㊂图7㊀钙钛矿太阳能电池性能参数随温度变化曲线Fig.7㊀Variation curves of the perovskite solar cells performance parameters with temperature图8㊀优化的钙钛矿太阳电池光伏曲线(a)和量子效率(b)Fig.8㊀I-V curve(a)and quantum efficiency(b)of optimized perovskite solar cells㊀第11期王传坤等:Sn基CH3NH3SnI3钙钛矿太阳能电池性能计算与优化2083㊀由以上讨论可知,当钙钛矿光吸收层厚度为0.8μm,空穴传输层厚度为0.1μm,空穴传输层和钙钛矿光学吸收层之间的面缺陷为1ˑ1010cm-2,温度为260K,其他计算参数不变时,钙钛矿太阳能电池获得最佳的性能㊂经优化的钙钛矿太阳能电池的光伏曲线如图8(a)所示㊂优化后钙钛矿太阳能电池的开路电压略有提高,短路电流密度提高了约为3.2%,但填充因子和未优化器件相比则变小㊂开路电压和短路电流密度的增加,导致器件的光电转换效率增加㊂然而,与未优化器件的量子效率相比,优化后器件的量子效率在可见光范围内明显提高,从而导致器件能够吸收更多的光子并转变成电子,进一步提高了钙钛矿太阳能电池的性能㊂3㊀结㊀㊀论利用SCAPS-1D软件构建了TCO/TiO2/CH3NH3SnI3/Spiro-OMeTAD/Ag钙钛矿太阳能电池并研究其光电性能㊂分析了钙钛矿光吸收层厚度㊁空穴传输层厚度㊁空穴传输层和钙钛矿光学吸收层之间的面缺陷以及温度对器件性能的影响,最后对器件进行优化㊂研究表明,当钙钛矿光吸收层厚度为0.8μm㊁空穴传输层厚度为0.1μm㊁空穴传输层和钙钛矿光学吸收层之间的面缺陷为1ˑ1010cm-2㊁温度T=260K时,钙钛矿太阳能电池的性能最佳,其开路电压㊁短路电流密度㊁填充因子和光电转换效率为1.063V㊁33.900mA/cm2㊁85.893%和30.955%㊂通过本文的研究进一步为实验提供了理论参考㊂参考文献[1]㊀RONG Y G,HU Y,MEI A Y,et al.Challenges for commercializing perovskite solar cells[J].Science,2018,361(6408):eaat8235.[2]㊀JUNG H S,PARK N G.Perovskite solar cells:from materials to devices[J].Small,2015,11(1):10-25.[3]㊀WU T H,QIN Z Z,WANG Y B,et al.The main progress of perovskite solar cells in2020-2021[J].Nano-Micro Letters,2021,13(1):152.[4]㊀ALLA M,MANJUNATH V,CHAWKI N,et al.Optimized CH3NH3PbI3X Cl X based perovskite solar cell with theoretical efficiency exceeding30%[J].Optical Materials,2022,124:112044.[5]㊀JAISWAL R,RANJAN R,SRIVASTAVA N,et al.Numerical study of eco-friendly Sn-based perovskite solar cell with25.48%efficiency usingSCAPS-1D[J].Journal of Materials Science:Materials in Electronics,2023,34(8):753.[6]㊀LUO W,XU J X,LIU S Y.Optimization of all-inorganic CsPbI3-based inverted perovskite solar cells by numerical simulation[J].Journal ofElectronic Materials,2023,52(3):2216-2226.[7]㊀KOJIMA A,TESHIMA K,SHIRAI Y,et anometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells[J].Journal of theAmerican Chemical Society,2009,131(17):6050-6051.[8]㊀GREEN M A,DUNLOP E D,HOHL-EBINGER J,et al.Solar cell efficiency tables(Version58)[J].Progress in Photovoltaics:Research andApplications,2021,29(7):657-667.[9]㊀NAKKA L,CHENG Y H,ABERLE A G,et al.Analytical review of spiro-OMeTAD hole transport materials:paths toward stable and efficientperovskite solar cells[J].Advanced Energy and Sustainability Research,2022,3(8):2200045.[10]㊀MEHRABIAN M,AFSHAR E N,AKHAVAN O.TiO2and C60transport nanolayers in optimized Pb-free CH3NH3SnI3-based perovskite solarcells[J].Materials Science and Engineering:B,2023,287:116146.[11]㊀ZHOU P,BU T L,SHI S W,et al.Efficient and stable mixed perovskite solar cells using P3HT as a hole transporting layer[J].Journal ofMaterials Chemistry C,2018,6(21):5733-5737.[12]㊀IMANI S,SEYED-TALEBI S M,BEHESHTIAN J,et al.Simulation and characterization of CH3NH3SnI3-based perovskite solar cells withdifferent Cu-based hole transporting layers[J].Applied Physics A,2023,129(2):1-13.[13]㊀ISLAM M B,YANAGIDA M,SHIRAI Y,et al.NiO x hole transport layer for perovskite solar cells with improved stability and reproducibility[J].ACS Omega,2017,2(5):2291-2299.[14]㊀ALLA M,BIMLI S,MANJUNATH V,et al.Towards lead-free all-inorganic perovskite solar cell with theoretical efficiency approaching23%[J].Materials Technology,2022,37(14):2963-2969.[15]㊀BOUAZIZI S,TLILI W,BOUICH A,et al.Design and efficiency enhancement of FTO/PC60BM/CsSn0.5Ge0.5I3/Spiro-OMeTAD/Au perovskitesolar cell utilizing SCAPS-1D Simulator[J].Materials Research Express,2022,9(9):096402.[16]㊀ZHANG P,WU J A,ZHANG T,et al.Perovskite solar cells with ZnO electron-transporting materials[J].Advanced Materials,2018,30(3):1703737.[17]㊀LU H,TIAN W,GU B K,et al.TiO2electron transport bilayer for highly efficient planar perovskite solar cell[J].Small,2017,13(38):1701535.[18]㊀SINGH A K,SRIVASTAVA S,MAHAPATRA A,et al.Performance optimization of lead free-MASnI3based solar cell with27%efficiency by2084㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷numerical simulation[J].Optical Materials,2021,117:111193.[19]㊀HAO F,STOUMPOS C C,CAO D H,et al.Lead-free solid-state organic-inorganic halide perovskite solar cells[J].Nature Photonics,2014,8(6):489-494.[20]㊀PATEL P K.Device simulation of highly efficient eco-friendly CH3NH3SnI3perovskite solar cell[J].Scientific Reports,2021,11:3082.[21]㊀MOTTAKIN M,SOBAYEL K,SARKAR D,et al.Design and modelling of eco-friendly CH3NH3SnI-3based perovskite solar cells with suitabletransport layers[J].Energies,2021,14(21):7200.[22]㊀KANOUN A A,KANOUN M B,MERAD A E,et al.Toward development of high-performance perovskite solar cells based on CH3NH3GeI3using computational approach[J].Solar Energy,2019,182:237-244.[23]㊀HUNDE B R,WOLDEYOHANNES A D.Performance analysis and optimization of perovskite solar cell using SCAPS-1D and genetic algorithm[J].Materials Today Communications,2023,34:105420.[24]㊀BHATTARAI S,DAS T D.Optimization of carrier transport materials for the performance enhancement of the MAGeI3based perovskite solar cell[J].Solar Energy,2021,217:200-207.[25]㊀KUMAR M,RAJ A,KUMAR A,et putational analysis of bandgap tuning,admittance and impedance spectroscopy measurements inlead-free MASnI3perovskite solar cell device[J].International Journal of Energy Research,2022,46(8):11456-11469.[26]㊀SLAMI A,BOUCHAOUR M,MERAD L.Numerical study of based perovskite solar cells by SCAPS-1D[J].International Journal of Energy andEnvironment,2019,3:17-21.[27]㊀ALIAGHAYEE M.Optimization of the perovskite solar cell design with layer thickness engineering for improving the photovoltaic response usingSCAPS-1D[J].Journal of Electronic Materials,2023,52(4):2475-2491.[28]㊀MOHANTY I,MANGAL S,SINGH U P.Defect optimization of CZTS/MASnI3heterojunction solar cell yielding30.8%efficiency[J].Journalof Electronic Materials,2023,52(4):2587-2595.[29]㊀MUSHTAQ S,TAHIR S,ASHFAQ A,et al.Performance optimization of lead-free MASnBr3based perovskite solar cells by SCAPS-1D devicesimulation[J].Solar Energy,2023,249:401-413.。