基于无机和有机爱发体育空穴层的高效钙钛矿太阳能电池

发布时间：2023-06-27 丨 浏览次数：

　　爱发体育由于优良的光电转换效率和较低的制备成本，钙钛矿太阳能电池在能量转化研究中越来越受欢迎。通过对钙钛矿材料的研究和对电池结构的优化，单个电池的功率转换效率达到了25%以上。预计它将成为下一代商用薄膜太阳能电池的首选。有机和无机双孔层的使用可以有效地调整每一层之间的能级匹配，并提高钙钛矿太阳能电池的光伏性能和稳定性。然而，制备钙钛矿细胞的条带匹配的成本是巨大的。近日以及中南大学刘江维副教授报道了由无机和有机空穴层的高效钙钛矿太阳能电池结构的设计。通过理论计算爱发体育，分析了双孔层对钙钛矿太阳能电池性能的影响，并提出了一种钙钛矿太阳能电池的优化结构。在传统的Spiro-OMeTAD和MAPbI3吸收层中加入了CuO层。减少复合层中电子和空穴对的直接复合，从而增加填充因子，而Spiro-OMeTAD可以减少阳极中的电子复合，从而增加短路电流。本研究提出的细胞结构可以为该实验的发展提供理论指导，并为钙钛矿太阳能电池的结构优化提供了新的设计思路。

　　利用时域有限差分方法研究了光波在不同空穴层钙钛矿太阳能电池中的传播问题。并基于泊松方程、空穴连续性方程和电子连续性方程，利用SCAPS器件模拟器平台构建了一维太阳能电池计算模型，并分析了相关参数对钙钛矿太阳能电池性能的影响电池的具体结构如图1(a)(b)所示爱发体育，其中空穴层的两种结构分别为Spiro-OMeTAD和Spiro-OMeTAD&CuO，CuO层更接近钙钛矿材料。为了保证电池模型的可靠性，图1(c)显示了模型的计算结果与论文中报道的真实实验数据之间的对比。从数据中可以看出，仿真结果与实验结果之间的差异小于0.07%。从图1(d)可以知道双空穴层的设计可以同时提高短路电流和开路电压，从而提高光电转换效率。

　　图1(a)(b)平面MAPbI3钙钛矿太阳能电池的原始结构和优化结构 (c) J-V曲线分析的实验数据和模拟数据的比较 (d)不同空穴层的J-V曲线图

　　具体分析实现光电转换效率的因素如下。在光吸收分析部分，研究了不同空穴层对光吸收光谱和功率强度的影响。图2 (a)为不同空穴层电池的吸收光谱。可以发现，在300~700 nm波段内，两种空穴层的光吸收效率是基本一致的。在700-1100 nm的波段内，可以清楚地看到波峰出现蓝移，并且吸收效率提高。图2 (b)计算了AM1.5下Spiro-OMeTAD和CuO空穴层的能量吸收和损失。可以看出，钙钛矿电池的整体吸收损失较小，得出加权平均吸收效率为95.35%爱发体育。

　　图2 (a)两种不同的空穴层结构的吸收光谱 (b)优化结构的太阳能吸收和损失光谱

　　钙钛矿电池光电转换效率的提高不仅反射在光吸收部分。 为了进一步验证添加CuO孔层的电池的转换效率，研究了平衡状态下空穴层为Spiro-OMeTAD和CuO电池的能级图(3(a))。 结果发现，只有Spiro-OMeTAD作为空穴层的能级图才能达到与能级的匹配，而只有CuO作为空穴层与钙钛矿材料的匹配度较弱。 虽然在空穴传输层与吸收层之间的界面上存在势垒，但相似的能级会导致一些电子向空穴方向漂移，从而降低开路电压。 同时，CuO和MAPbI3之间的接触是一个随梯度增大的带隙，使电池具有良好的价带匹配，通过促进孔对的输运，减少吸收层中的载流子复合损失，改善填充因子。 这与之前的J-V曲线分析结果相似。 带有Spiro-OMeTAD和CuO孔的钙钛矿电池结构只是集成了这两种材料的优点。 钙钛矿层与孔层之间的CuO接触材料可以实现更好的接触，提高填充因子效率，Spiro-OMeTAD可以实现能级匹配的一致性，确保开路电压不会降低。 通过分析器件中自由电子/空穴的数量，可知加入CuO增加了空穴层中自由载流子的数量，进一步证明了短路电流增加的机理。 最后，CuO和MAPbI3之间梯度的增加将进一步改善短路电流，从而提高电池的整体光电转换效率。 从量子效率图中可以看出，加入CuO薄膜后，图3 (b)中量子效率的效率显著提高，在300 nm-900 nm时，量子效率的效率从64.3%提高到71.1%。 结果表明，加入CuO材料提高了器件的吸收效率，从而提高了量子效率的效率，这也是提高光电转换效率的原因之一。

　　在该优化结构中进行了掺杂量和厚度的优化。主要目的是研究CuO薄膜的厚度和掺杂浓度对光电转换效率的影响。结果发现，当CuO的厚度从0.05 um增加到0.3 um时，整体光电转换效率从20.2%增加到22.5%，转换效率提高的关键原因是短路电流的提高，而FF和短路电流几乎没有受到影响。短路电流改进的原因是加入CuO薄膜后，带隙的步差得到改善，促进了空穴的传输爱发体育，从而提高了短路电流。当CuO的厚度保持在200 nm时，我们从图4 (b)和(d)中可以发现，掺杂不同浓度的CuO对光电转换效率的影响很小，且在掺杂浓度为5×1019(cm-3)后，转换效率趋于一致。因此，使用5×1019(cm-3)作为最终优化的掺杂浓度。

　　本研究采用SCAPS模拟方法模拟了MAPbI3钙钛矿太阳能电池，并分析了能级匹配对电池的影响爱发体育。特别关注钙钛矿-空穴界面的能级匹配，这对空穴层的选择和研究具有重要意义。结果表明，使用双空穴层可以提高MAPbI3吸收层和传统的Spiro-OMeTAD的光电性能。这是因为CuO空穴层可以降低吸收层中的电子/空穴直接复合，而Spiro-OMeTAD可以减少阳极中的电子复合，而Spiro-OMeTAD&CuO作为空穴层可以同时改善填充因子和短路电流，光电转换效率由16.82%上升到22.77%。本研究的内容为实验的发展提供一个可行的方案。最重要的是提出了钙钛矿太阳能电池性能优化的新设计思路，这有助于实现钙钛矿太阳能电池的产业化。

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