全无机宽禁带CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池的设计与模拟及其在室内光伏应用中的潜力

本文系统探讨了全无机CsPbIBr2钙钛矿材料在室内光伏（PV）应用中的巨大潜力。研究通过SCAPS-1D仿真软件，从验证实验器件（ITO/ZnO/CsPbIBr2/Spiro-OMeTAD/Au，户外效率11.01%）出发，创新性地提出并优化了双电子传输层（ETL）结构（ITO/ZnO/In2O3/CsPbIBr2/Spiro-OMeTAD/Au），成功解决了单一ETL的能带对齐不佳和传导带偏移（CBO）问题。通过协同优化吸收层厚度、缺陷浓度等参数，最终使电池在200 lux、2900 K的LED室内光照下，能量转换效率（PCE）显著提升至21.85%。该研究为开发高效、稳定的室内能量收集器件提供了重要的理论依据和设计策略。

　　

1. 引言

光伏技术作为应对日益增长的能源需求的重要解决方案，提供了可再生的替代能源。近年来，尽管硅基光伏电池主导市场，但对更高效率的追求推动了薄膜太阳能电池技术的发展，其中钙钛矿太阳能电池因其高效率和成本效益而迅速崛起。有机-无机杂化钙钛矿电池效率虽已超过25%，但其在热、湿度和光应力下的不稳定性限制了应用。全无机钙钛矿，如CsPbBr₃、CsPbI₂Br和CsPbIBr₂，因其优异的热稳定性、耐湿性以及不含易降解的有机组分而受到广泛关注。特别是CsPbIBr₂，其约2.05 eV的宽直接带隙、高吸收系数和高载流子迁移率，使其在相稳定性和光捕获能力之间取得了良好平衡，非常适合利用室内光源的光子能量。本研究旨在通过仿真手段，深入探索CsPbIBr₂基PSCs在室内照明环境下的性能优化策略。

2. 材料与方法论

本研究基于已报道的实验电池结构（ITO/ZnO/CsPbIBr₂/Spiro-OMeTAD/Au）展开仿真。利用SCAPS-1D设备仿真器，通过求解泊松方程、连续性方程和电流密度方程等半导体基本方程，对电池的电学特性进行数值模拟。为确保仿真准确性，首先对实验电池的电流-电压特性、外量子效率谱以及光强依赖关系进行了校准，仿真结果与实验数据高度吻合，验证了模型的可靠性。仿真中输入了各层材料的关键物理参数，包括厚度、价带顶、导带底、相对介电常数、载流子迁移率、有效态密度、掺杂浓度以及体缺陷和界面缺陷参数。

3. 结果与讨论

3.1. 室内LED照明下的初始电池性能

在200 lux、2900 K的LED照明条件下，初始CsPbIBr₂电池表现出良好的性能：开路电压为1.114 V，短路电流密度为9.09 μA/cm²，填充因子为82.73%，最终能量转换效率达到14.47%。这证明了CsPbIBr₂宽禁带特性在捕获室内LED窄谱光方面的优势。

3.2. 双电子传输层设计

针对初始单ETL（ZnO）设计中存在的负传导带偏移问题，研究提出了双ETL结构。通过系统筛选ETL材料的电子亲和能，发现当吸收层侧ETL电子亲和能为3.3 eV（形成+0.01 eV的微小尖峰状CBO），接触层侧ETL电子亲和能为4.0 eV时，性能最优。这种设计改善了能带对齐，促进了电子传输并抑制了界面复合。最终确定采用ZnO（接触侧）和In₂O₃（吸收层侧）构成双ETL。优化后，电池的开路电压显著提升至1.295 V，效率提高至16.81%。

3.3. 吸收层厚度与缺陷

研究了吸收层厚度和体缺陷浓度对性能的交互影响。结果表明，存在一个与缺陷浓度相关的优化厚度。当缺陷浓度降至10¹⁵ cm^-3，厚度优化至600 nm时，电池效率进一步提升至17.71%。过厚的吸收层会导致载流子收集效率下降，而较高的缺陷浓度则会加剧复合损失，缩短载流子扩散长度。

3.4. 不同色温与光强下优化后的CsPbIBr₂太阳能电池

将双ETL设计与优化后的吸收层参数结合，形成了完全优化的电池结构。在不同LED色温下进行了性能评估。完全优化电池的性能显著优于初始设计：在2900 K、5300 K和7500 K色温下，效率分别达到21.85%、31.15%和34.59%。外量子效率分析显示优化电池的光谱响应得到增强。输出功率特性分析表明，优化电池在室内光照下可产生足够的功率，为物联网设备供能提供了可行性。

3.5. 串联和分流电阻的影响

分析了串联电阻和分流电阻对室内性能的影响。由于室内光强下电流密度极低，电池性能对串联电阻的变化不敏感。然而，分流电阻则成为关键参数，其值低于10⁶ Ω·cm²时会显著降低效率，凸显了减少寄生漏电通路的重要性。

3.6. 载流子迁移率的影响

研究了电子和空穴迁移率变化对性能的影响。在初始电池中，电子迁移率的影响更为显著。而在完全优化的电池中，由于双ETL结构改善了电子传输，空穴迁移率成为限制因素，表明优化过程有效解决了电子传输的瓶颈。

4. 结论

本研究通过仿真系统地优化了全无机CsPbIBr₂钙钛矿太阳能电池用于室内光伏应用的性能。通过采用双电子传输层结构优化能带对齐，并结合吸收层厚度和缺陷浓度的协同优化，显著提升了电池在室内LED照明条件下的能量转换效率。CsPbIBr₂材料固有的热稳定性和耐湿性，加上通过能带工程和缺陷控制实现的性能飞跃，使其成为室内能量收集领域极具吸引力的候选材料。该研究为未来实验开发和商业化高效、稳定的室内光伏技术提供了坚实的理论指导和优化路径。