无铅CH₃NH₃SnI₃基钙钛矿太阳能电池效率优化研究学术报告
作者及发表信息
本研究由Qana A. Alsulami（沙特阿拉伯阿卜杜勒阿齐兹国王大学化学系）、Rasul Al Foysal Redoy与S. Wageh（同校物理系）合作完成，发表于Scientific Reports期刊（2025年15卷，文章编号13170）。研究聚焦于通过材料与结构修饰优化无铅钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）的效率。
学术背景
研究领域与动机
钙钛矿太阳能电池因其高效率（认证效率已超25%）和低成本成为光伏领域的研究热点。然而，传统铅基钙钛矿（如MAPbI₃、FAPbI₃）的毒性限制了其商业化潜力。锡（Sn）基钙钛矿（如CH₃NH₃SnI₃）因其窄带隙（~1.3 eV）、高载流子迁移率（~22 cm²/Vs）和环境友好特性成为理想替代材料，但其效率仍显著低于铅基材料。本研究旨在通过模拟优化CH₃NH₃SnI₃基PSCs的器件结构，解决效率瓶颈问题。
关键科学问题
- 载流子传输效率低：传统HTL（空穴传输层）材料ZnTe的能带匹配不佳，导致电荷复合严重。
- 结构稳定性不足：正置（n-i-p）结构中TiO₂电子传输层（ETL）的紫外光催化效应会降解钙钛矿层。
- 成本限制：金（Au）电极的高成本阻碍大规模应用。
研究流程与方法
1. 初始模型验证
研究采用SETFOS商业软件（内置多物理场模块）进行数值模拟，验证了初始结构（Glass/ITO/TiO₂/CH₃NH₃SnI₃/ZnTe/Au）的准确性。模拟结果与Kumari等人（2021）的实验数据高度吻合（PCE误差<0.6%），确认了模型的可靠性（表1）。
2. 空穴传输层优化
- 材料替换：将ZnTe替换为有机小分子TAPC（1,1-双[(二-4-甲苯氨基)苯基]环己烷），厚度保持250 nm。
- 机制分析：TAPC的LUMO能级（-2 eV）高于ZnTe（-3.73 eV），形成更强的电子阻挡势垒，减少界面复合。
- 结果：PCE从8.36%提升至11.28%，填充因子（FF）从62.48%跃升至89.95%（表2）。
3. 倒置（p-i-n）结构设计
- 结构改造：将ETL（TiO₂）移至钙钛矿层下方，形成Glass/ITO/PEDOT/TAPC/CH₃NH₃SnI₃/TiO₂/Al结构。
- 电极优化：以铝（Al）替代Au，并引入PEDOT:PSS缓冲层（5 nm）改善ITO与TAPC的能级匹配。
- 效果：FF进一步提升至90.08%，但因光吸收损失导致Jsc下降8.26%（表3）。
4. NiO空穴选择性层引入
- 厚度优化：添加5 nm NiO作为HSL（空穴选择性层），Voc从0.74 V增至0.78 V，但过厚（>5 nm）会因绝缘性增加串联电阻（Rs从0.31 Ω·cm²升至3.93 Ω·cm²）。
- 平衡策略：薄层NiO可增强载流子提取，同时抑制界面复合（表4）。
5. 各层厚度系统优化
- 活性层：200 nm厚度时Voc与PCE达最佳平衡（图6）。
- TAPC层：120 nm时吸收谱展宽（500–600 nm），PCE峰值11.46%（图8）。
- TiO₂层：110 nm厚度下PCE出现第二峰值（图10）。
主要结果与逻辑关联
- TAPC的电子阻挡效应：通过降低复合率（图12红色区域减少）和串联电阻（Rs从9.74 Ω·cm²降至1.14 Ω·cm²），直接贡献34.92%的PCE提升。
- 倒置结构的光管理优势：TiO₂远离光照路径，减少紫外降解风险，但需通过PEDOT/Al电极组合维持电荷提取效率。
- NiO的界面工程：5 nm厚度下实现Voc与Jsc同步提升（Voc +5.41%，Jsc +10.87%），但需权衡FF损失。
结论与价值
科学意义
- 能带工程创新：TAPC的LUMO能级设计为无铅PSCs的HTL选择提供了新范式。
- 结构突破：倒置p-i-n结构结合薄层NiO，解决了Sn基钙钛矿的稳定性与效率矛盾。
应用价值
最终优化结构（ITO 190 nm/PEDOT 5 nm/TAPC 120 nm/NiO 5 nm/CH₃NH₃SnI₃ 200 nm/TiO₂ 110 nm/Al 100 nm）实现12.37%的PCE（图15），为无铅PSCs的商业化铺平道路。
研究亮点
- 多参数协同优化：通过软件模拟同步调控7个功能层厚度，减少实验试错成本。
- 低成本替代方案：Al电极与溶液法制备TAPC层显著降低器件成本。
- 热稳定性验证：Sn-I键的强键能（耐受200°C）优于铅基材料（降解温度150°C）。
其他价值
研究数据已公开，SETFOS模拟方法可扩展至其他钙钛矿体系优化。沙特教育部（项目编号1003）为本研究提供资助。