基于CBTS空穴传输层的无铅钙钛矿太阳能电池光伏性能优化：SCAPS-1D模拟研究

针对有机HTL材料热稳定性差、易降解等问题，研究人员通过SCAPS-1D模拟探究铜钡锡硫(CBTS)作为HTL在FASnI3基钙钛矿电池中的应用。优化后的Au/CBTS/FASnI3/TiO2/FTO/Al结构实现26.67%的PCE，为无铅PSCs产业化提供新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，太阳能电池技术正面临效率与环保的双重挑战。传统硅基电池虽占据90%市场份额，但其制造过程高能耗且缺乏柔性；而新兴的钙钛矿太阳能电池(PSCs)在15年内效率突破27%，却因铅毒性问题饱受争议。更棘手的是，当前主流的有机空穴传输材料(HTL)如Spiro-OMeTAD和PEDOT:PSS存在本征空穴迁移率低(<10^-3 cm²/Vs)、需添加吸湿性掺杂剂等问题，严重制约器件稳定性。面对这些瓶颈，印度理工学院古瓦哈提分校纳米技术中心的研究团队创新性地提出采用无机铜钡锡硫(CBTS)作为HTL，通过SCAPS-1D模拟系统优化无铅钙钛矿电池的光伏性能，相关成果发表于《Micro and Nanostructures》。

研究采用数值模拟方法，通过构建Au/CBTS/FASnI₃/TiO₂/FTO/Al器件结构，重点分析了能带匹配、缺陷工程与界面调控对性能的影响。关键技术包括：利用SCAPS-1D求解泊松方程和载流子连续性方程；通过量子效率谱验证光吸收特性；基于Mott-Schottky曲线分析内建电场分布；系统考察厚度、温度、寄生电阻等28项参数敏感性。

能带工程与初始性能
模拟显示CBTS的价带顶(-5.3 eV)与FASnI₃(-5.4 eV)形成理想阶梯式能级排列，使初始结构获得1.126 V的高开路电压(V_OC)。但缺陷分析发现Sn²⁺氧化导致的界面态会引发非辐射复合。

缺陷密度调控
将体缺陷密度从10¹⁷ cm^-3降至10¹⁵ cm^-3时，填充因子(FF)提升12.7%，证明抑制缺陷辅助复合是效率突破的关键。

厚度优化
FASnI₃吸收层在0.5 μm时实现29.61 mA/cm²的短路电流密度(J_SC)，过厚会导致载流子收集效率下降，过薄则光捕获不足。

温度稳定性
在300-400 K范围内，CBTS基器件效率衰减率(0.11%/K)显著低于有机HTL参照组(0.23%/K)，印证其优异的热稳定性。

接触工程
当金电极功函数>5.1 eV时，可减少背接触势垒，使V_OC提升8.3%。而FTO前电极的最佳电子亲和势为3.8 eV。

该研究通过多参数协同优化，最终实现26.67%的转换效率(PCE)，其中CBTS高达10 cm²/Vs的空穴迁移率起到决定性作用。Mott-Schottky分析证实优化的耗尽区宽度(0.32 μm)有效平衡了载流子产生与收集效率。值得注意的是，模拟结果虽未考虑实际环境中离子迁移等复杂因素，但为实验研究提供了明确优化路径。Aman Yadav等指出，CBTS的无掺杂特性与化学惰性使其特别适合用于叠层电池的互联层，这项研究不仅为无铅钙钛矿商业化扫清材料障碍，更开创了硫族化合物在光伏界面工程中的新应用范式。