浙大楊旸Solar RRL：全無機(jī)CsPbI?Br鈣鈦礦太陽能電池的數(shù)值優(yōu)化

發(fā)表時(shí)間：2025-08-07 11:18

主要內(nèi)容

近年來，鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite Solar Cells，PSCs）的光電轉(zhuǎn)換功率（Power Conversion Efficiency，PCE）已顯著提升至25%以上。然而，器件的不穩(wěn)定性問題始終是制約其商業(yè)化應(yīng)用的核心障礙。近期，基于CsPbI2Br的全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池憑借其**的長期穩(wěn)定性，展現(xiàn)出極為可觀的商業(yè)化潛力。目前，采用1.92?eV帶隙的CsPbI2Br頂電池與1.31?eV帶隙的CsPb0.4Sn0.6I3:GLE器件組合，可使兩端互聯(lián)鈣鈦礦疊層太陽能電池（Two - Terminal Interconnected Perovskite Tandem Solar Cells，2T - IPTSCs）的**效率達(dá)到22.57%（認(rèn)證值為21.92%）。

01

研究合作與基礎(chǔ)模擬

在此項(xiàng)前沿研究中，浙江大學(xué)光電學(xué)院的楊旸教授與南昌航空大學(xué)土木與交通學(xué)院院長呂輝教授展開深度合作，共同率領(lǐng)其科研團(tuán)隊(duì)聚焦于鈣鈦礦太陽能電池的性能優(yōu)化工作。研究采用疊層鈣鈦礦太陽能電池的頂電池結(jié)構(gòu)（ITO/ZnO/CsPbI2Br/NiOx/Au），并借助SCAPS - 1D軟件（3.3.12版），對采用不同無機(jī)材料作為空穴傳輸層（Hole Transport Layer，HTL）和電子傳輸層（Electron Transport Layer，ETL）的器件光電性能進(jìn)行模擬對比分析。

模擬結(jié)果表明，MoO3和銦鎵鋅氧化物（Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO）分別是空穴傳輸層和電子傳輸層的理想選擇?；谠搩?yōu)化結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)通過精細(xì)調(diào)節(jié)吸光層厚度、摻雜濃度、缺陷密度（Nt）以及背接觸金屬等關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)一步提升了器件性能。

02

關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化研究

在具體研究過程中，團(tuán)隊(duì)首先對多種潛在的空穴傳輸層（HTL）和電子傳輸層（ETL）無機(jī)材料進(jìn)行模擬，并深入評估其厚度對器件光電性能的影響。模擬結(jié)果顯示，當(dāng)厚度設(shè)定為100 nm時(shí)，MoO3的性能顯著優(yōu)于其他空穴傳輸層候選材料，成為MoO3/鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的**空穴傳輸層候選方案。

對于電子傳輸層，銦鎵鋅氧化物（IGZO）因其與CsPbI2Br具有良好的導(dǎo)帶匹配特性，展現(xiàn)出**的器件光電效率表現(xiàn)。在背接觸層方面，團(tuán)隊(duì)對銅（Cu）、銀（Ag）和鎳（Ni）等不同金屬進(jìn)行了比較研究，結(jié)果表明，功函數(shù)大于5.1 eV的金屬適合作為CsPbI2Br的背接觸層，其中鎳（Ni）在光電效率、成本和可擴(kuò)展性方面綜合表現(xiàn)**。

基于上述結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步系統(tǒng)分析了吸光層厚度、帶隙、缺陷密度（Nt）、摻雜濃度、界面陷阱態(tài)密度（Ntf）以及背接觸層功函數(shù)等因素對器件光電性能的影響機(jī)制。經(jīng)過全面優(yōu)化，吸光層厚度、帶隙、缺陷密度和摻雜濃度分別確定為900 nm、1.80 eV、1011 cm?3和101? cm?3。在研究電子傳輸層/吸光層和空穴傳輸層/吸光層界面的界面缺陷態(tài)密度（IDL）時(shí)發(fā)現(xiàn)，將其降低至1011 cm?3可有效抑制復(fù)合反應(yīng)，進(jìn)而顯著提升整體光電性能。經(jīng)全方位優(yōu)化后，基于CsPbI2Br的全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到21.41%。

03

研究意義與未來展望

上述模擬結(jié)果不僅為深入理解基于CsPbI2Br的全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池的工作機(jī)制提供了重要依據(jù)，還為探尋性能提升途徑指明了方向，同時(shí)也為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究構(gòu)建了堅(jiān)實(shí)的理論框架。本研究確定的**器件結(jié)構(gòu)為氧化銦錫（ITO）/IGZO（50 nm）/CsPbI2Br（900 nm）/MoO3（100 nm）/鎳（Ni）。

未來工作中，楊旸教授與呂輝教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)將基于該優(yōu)化結(jié)構(gòu)制備并測試器件，以驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，并進(jìn)一步評估所提設(shè)計(jì)的實(shí)際可行性，為推動鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用貢獻(xiàn)專業(yè)智慧與強(qiáng)大力量。

文獻(xiàn)信息

Numerical Optimization of All-Inorganic CsPbI2Br Perovskite Solar Cells

Shuihang Chen, Yanyi Hu, Youhua Han, Mingyang Gao, Hong Tian, Xianjin Gan, Hui Lv, Yang (Michael) Yang

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/solr.202500408

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