NML研究文章 |三元结构平板钙钛矿太阳能电池器件的仿真计算

【引言】

有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池近年来发展迅猛，其光电转换效率已突破22%。但是其在高湿度和持续光照条件下的长期稳定性仍需提高。透明金属氧化物半导体具有稳定能带结构和化学稳定性，有望替代传统有机电荷传输材料，制备更加高效、稳定的钙钛矿太阳能电池。

本文亮点

1 仿真研究了具有Cu:NiO_x/ MAPb_X/ ZnO/ Al结构的p-i-n型钙钛矿太阳能电池。

2 以MAPbI₂Br为光活性层的钙钛矿太阳能电池具有最高的光电转换效率，并表现出高的热稳定性。

3 模拟结果为优化设计钙钛矿活性层的缺陷密度和厚度提供了理论依据。

内容简介

华北电力大学李美成教授团队在MAPbX (MA=CH₃NH₃,X= I₃, Br₃, or I₂Br)体系的钙钛矿电池中引入稳定、低成本的Cu:NiO_x空穴传输材料、ZnO电子传输材料以及Al电极，采用当前太阳能电池领域适用的wxAMPS模拟程序，建立了具有Glass/ FTO/ Cu:NiO_x/ MAPbX/ZnO/Al三元结构的器件模型，并对其进行了理论分析和讨论。研究发现发现活性材料的带隙和太阳能电池的使用温度显著影响器件性能，同时，光伏参数对光吸收层厚度和缺陷密度具有强烈的依赖性。在一定的模拟条件下，MAPbBr₃_、MAPbI₂Br 和MAPbI₃电池的最高转换效率分别为 20.58%、19.08%和16.14%。该工作为设计和制备低成本、高稳定性的卤化物杂化钙钛矿太阳能电池提供了思路和方法。

图文导读

1 实验设计

图1a为具有glass/ FTO/ Cu:NiO_x/ MAPbX/ ZnO/ Al(MA= CH₃NH₃,X = I₃, Br₃, or I₂Br) 结构的器件模型，图1b为相应的能带图。图1c为钙钛矿太阳电池中载流子的产生、分离和抽取过程。器件A（MAPbI₃）、B（MAPbI₂Br）和 C（MAPbBr₃）的模拟J-V特性曲线如图1d所示。

2 缺陷密度影响

图2a MAPbX (MA = CH3NH3, X = I3, I2Br, or Br3)薄膜载流子产生和复合速率的模拟计算值，样品结构为：Cu:NiOx (HTM) / MAPbX/ZnO (ETM). b–d不同光吸收层缺陷浓度的器件模拟J-V特性曲线。固定Cu:NiOx(HTM)和ZnO(ETM)的实验参数，Br掺杂使得钙钛矿薄膜的电荷复合速率降低，载流子收集效率提高。图2b-d模拟的J-V曲线表明钙钛矿膜中的缺陷态会使Voc显著降低，而其对Jsc的影响不明显。3 活性层厚度、环境温度和能级的影响

图3a钙钛矿材料厚度与器件计算效率曲线。b环境温度与器件计算效率曲线。图3c、d钙钛矿材料带隙宽度与器件计算光伏参数曲线。如图3a所示，器件A、 B、C的最佳活性层厚度分别为0.4 μm、0.7 μm、0.4μm。如图3b所示，三种类型的钙钛矿太阳能电池性能与环境温度成负相关。如图3c所示，器件性能与钙钛矿材料带隙成正相关。