非毒性Cs2TiBr6单卤化物钙钛矿太阳能电池的数值模拟与性能优化研究

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Cs2TiBr6 界面缺陷层 太阳能电池 数值模拟 性能优化

非毒性Cs2TiBr6单卤化物钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池的数值模拟与性能优化：基于Cs₂TiBr₆材料的研究

学术背景

近年来，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其卓越的光电特性而备受关注。这类材料具有合适的带隙、高载流子迁移率、显著的扩散长度和优异的光吸收系数等优势，使其在光伏领域迅速崛起。然而，传统铅基钙钛矿材料存在毒性问题、稳定性不足以及寿命短等缺陷，限制了其大规模应用。为了解决这些问题，研究人员开始探索无毒、稳定的替代材料。其中，铯钛溴化物（Cs₂TiBr₆）作为一种单卤化物钙钛矿材料，因其低毒性和高稳定性成为研究热点。

Cs₂TiBr₆是一种不含铅的环保型材料，具有直接带隙约为1.8 eV的特性，适合用于高效太阳能电池的开发。此外，这种材料还表现出较高的热稳定性和化学稳定性，为其商业化应用奠定了基础。尽管已有部分实验和模拟研究探讨了Cs₂TiBr₆基PSC的性能，但如何进一步提高其效率并解决界面复合问题仍需深入研究。因此，本研究旨在通过引入界面缺陷层（Interfacial Defect Layers, IDL），优化Cs₂TiBr₆基PSC的设计，并系统分析其性能提升的关键因素。

研究来源

这篇论文由Jaspinder Kaur、Ajay Kumar Sharma、Rikmantra Basu和Harjeevan Singh共同撰写，作者分别来自印度德里国立理工学院（NIT Delhi）和旁遮普邦莫哈里昌迪加尔大学（Chandigarh University）。该研究于2024年5月28日投稿，同年12月29日被接受，并于2025年发表在《Optical and Quantum Electronics》期刊上。论文标题为“Numerical Simulation and Performance Optimization of Non-Toxic Cs₂TiBr₆ Single-Halide Perovskite Solar Cell by Introducing Interfacial Defect Layers”。

研究细节

a) 研究流程

本研究采用SCAPS-1D软件对FTO/SnO₂/Cs₂TiBr₆/MoOₓ/Au结构的PSC进行了数值模拟。整个研究分为以下几个步骤：

  1. 结构设计与参数设置
    研究首先设计了一种平面异质结PSC结构，包括透明导电氧化物（FTO）、电子传输层（SnO₂）、光吸收层（Cs₂TiBr₆）、空穴传输层（MoOₓ）和金属背接触（Au）。为了减少界面复合，研究引入了两个界面缺陷层（IDL1和IDL2）。所有材料的输入参数均基于已有文献数据，如带隙、介电常数、载流子浓度等。

  2. 关键参数优化

    • 吸收层厚度优化：通过改变Cs₂TiBr₆层厚度（从0.1到3.0 µm），研究其对短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）和功率转换效率（PCE）的影响。结果表明，最佳厚度为800 nm。
    • 掺杂浓度优化：研究了Cs₂TiBr₆层的掺杂浓度（从10¹⁶到10²⁰ cm⁻³）对器件性能的影响，最终确定最佳掺杂浓度为10¹⁸ cm⁻³。
    • 缺陷密度优化：通过调整Cs₂TiBr₆层的缺陷密度（从10¹³到10¹⁹ cm⁻³），研究其对复合率和效率的影响，发现最佳缺陷密度为10¹⁴ cm⁻³。

  3. 界面缺陷层的作用
    研究分析了IDL1和IDL2的缺陷密度对器件性能的影响。结果表明，当缺陷密度低于10¹⁵ cm⁻³时，可以显著减少界面复合，从而提高效率。

  4. 温度影响分析
    通过模拟不同工作温度（300至420 K）下的器件性能，研究发现最佳工作温度为300 K。

  5. 对比分析
    最后，将优化后的结构与已报道的实验和模拟结果进行对比，验证了新设计的优越性。

b) 主要结果

  1. 吸收层厚度的影响
    当Cs₂TiBr₆层厚度从0.1增加到3.0 µm时，Jsc和PCE在厚度达到0.8 µm时达到峰值，随后迅速下降。这是因为在较厚的吸收层中，缺陷密度和串联电阻增加，导致复合率上升。最终确定最佳厚度为800 nm。

  2. 掺杂浓度的影响
    掺杂浓度的增加会显著降低Jsc，因为高掺杂会导致光生载流子的复合增加。然而，适当的掺杂浓度（10¹⁸ cm⁻³）可以提高Voc和FF，从而优化整体效率。

  3. 缺陷密度的影响
    缺陷密度的增加会导致复合率显著上升，从而降低效率。研究发现，当缺陷密度低于10¹⁵ cm⁻³时，器件性能最佳。

  4. 界面缺陷层的作用
    引入IDL后，界面复合显著减少，从而提高了载流子寿命和效率。最佳IDL缺陷密度为10¹⁴ cm⁻³。

  5. 温度的影响
    温度升高会导致载流子迁移率下降和复合率增加，从而降低效率。最佳工作温度为300 K。

  6. 对比分析结果
    优化后的结构实现了20.11%的PCE，显著高于已有文献报道的结果（2%-6%）。这主要归因于IDL的引入和关键参数的优化。

c) 结论与意义

本研究通过引入界面缺陷层并优化关键参数，成功设计了一种高效的Cs₂TiBr₆基PSC。研究结果表明，最佳吸收层厚度为800 nm，最佳掺杂浓度为10¹⁸ cm⁻³，最佳缺陷密度为10¹⁴ cm⁻³。优化后的结构实现了20.11%的PCE，远高于已有实验和模拟结果。这一成果不仅为无毒、稳定的钙钛矿太阳能电池的设计提供了理论指导，也为其实现商业化应用奠定了基础。

d) 研究亮点

  1. 创新性方法：首次引入IDL以减少界面复合，显著提高了器件效率。
  2. 系统性优化：全面分析了吸收层厚度、掺杂浓度和缺陷密度对性能的影响，为未来研究提供了参考。
  3. 高效性突破：实现了20.11%的PCE，远高于已有文献报道的结果。

e) 其他有价值的信息

研究还探讨了不同空穴传输材料（如MoOₓ、Spiro-OMeTAD等）对器件性能的影响，发现MoOₓ因其高稳定性、低成本和优异的能级匹配特性表现最佳。

研究的价值与意义

本研究不仅在理论上推动了无毒钙钛矿太阳能电池的发展，还为其实验制备和商业化应用提供了重要指导。通过优化关键参数和引入IDL，研究展示了如何在保持环保特性的前提下实现高效能量转换。这一成果对可再生能源技术的进步具有重要意义，同时也为未来钙钛矿材料的研究开辟了新方向。