对无毒Cs?PtI?双钙钛矿作为无铅光伏吸收材料的计算研究

《Next Materials》：Computational study of nontoxic Cs 2PtI? double perovskite as a lead-free photovoltaic absorber

钙钛矿太阳能电池中，Cs?PtI?作为无毒替代材料，通过数值模拟（SCAPS-1D）优化了厚度（1.0 μm）、掺杂密度（101? cm?3）、界面层（无缺陷层）及串联/并联电阻（R?=0 Ω·cm2，R??=5000 Ω·cm2），在296 K下实现了最高31.66%的转换效率，显著优于铅基材料MAPbI?（12.59%）。能带对齐研究表明，ZnO/CBTS和TiO?/MoO?组合的EHTL结构最优化，同时优化金属电极功函数（Ni最佳）。该研究为无毒钙钛矿器件设计提供了理论依据，但需实验验证长期稳定性。

　　### 探索无铅双钙钛矿吸收层的潜力：以铯铂碘化物（Cs?PtI?）为例

在可再生能源领域，太阳能电池因其清洁、可持续的特性，成为研究的热点。然而，传统铅基钙钛矿材料（如甲基铵铅碘化物 MAPbI?）虽具有较高的光电转换效率，但其含铅特性引发了一系列环境和健康问题。因此，科学家们一直在寻找无铅钙钛矿材料作为替代。近年来，一种新型的无铅双钙钛矿材料——铯铂碘化物（Cs?PtI?）引起了广泛关注。它不仅具备较高的光吸收能力和良好的稳定性，还具有较低的毒性和优异的电子和空穴传输性能。本文旨在通过数值模拟方法，探讨 Cs?PtI? 在太阳能电池中的应用潜力，并将其与传统铅基材料进行对比，以评估其作为替代材料的可行性。

#### 无铅钙钛矿材料的现状与挑战

无铅钙钛矿材料的研究近年来取得了显著进展，其应用前景广阔。例如，Rubidium lead bromide（RbPbBr?）作为一种铅卤化物钙钛矿材料，其光电转换效率（PCE）可达29.75%，但在实际应用中仍存在毒性问题。因此，科学家们探索了多种无铅钙钛矿材料，如银镉氟化物（AgCdF?）、钙锑三碘化物（Ca?SbI?）和钠六溴化锡（IV）（Na?SnBr?），并尝试与不同的空穴传输层（HTL）和电子传输层（ETL）进行组合，以优化其性能。尽管这些材料在实验和模拟研究中表现良好，但其在实际应用中的稳定性、可扩展性以及环境适应性仍需进一步验证。

相比之下，铯基钙钛矿材料因其可调节的带隙和更优的光电特性，被认为是最有潜力的替代材料之一。例如，Cs?PtI? 作为一种双钙钛矿结构，具有1.4 eV的带隙，表现出优异的光吸收能力、稳定性以及环境适应性。然而，其在实际应用中的性能仍需通过详细的数值模拟进行评估，以确定最佳的结构参数和优化策略。

#### Cs?PtI? 的结构特性与性能潜力

铯铂碘化物（Cs?PtI?）作为一种无铅双钙钛矿材料，具有独特的晶体结构和化学组成。其结构属于Fm3m空间群，具有良好的电子和空穴传输能力。通过调整吸收层厚度、HTL和ETL的厚度以及界面缺陷密度，可以进一步优化其性能。此外，材料的带隙值和掺杂密度也是影响其性能的关键因素。

在实验研究中，Cs?PtI? 基太阳能电池在 FTO/CdS/Cs?PtI?/C??/Cu 配置下表现出较高的光电转换效率。然而，由于其带隙和掺杂密度的优化尚未完全明确，研究者们通过数值模拟方法对 Cs?PtI? 的性能进行了深入分析。模拟结果显示，Cs?PtI? 基太阳能电池在特定参数设置下可以实现接近理想性能极限的光电转换效率，表现出与铅基材料相当甚至更优的性能。

#### 数值模拟方法的应用

数值模拟是评估太阳能电池性能的重要工具，它可以帮助研究者在实验前预测材料的光电特性，并优化电池结构。本文采用了 SCAPS-1D 模拟框架，对 Cs?PtI? 基太阳能电池进行了详细的模拟研究。该框架能够模拟多种参数，包括吸收层厚度、HTL和ETL的厚度、系列电阻（R_S）、并联电阻（R_SH）、界面缺陷密度以及掺杂密度等。

通过调整这些参数，研究者们发现 Cs?PtI? 基太阳能电池在特定条件下可以实现更高的光电转换效率。例如，当吸收层厚度为0.2 μm、HTL厚度为0.04 μm、ETL厚度为0.06 μm，并采用10^15 cm?3的掺杂密度时，模拟结果表明 Cs?PtI? 基太阳能电池的性能显著优于传统铅基材料。此外，研究还发现，界面缺陷密度的优化对性能提升至关重要，适当的缺陷密度可以有效减少载流子复合，提高光电转换效率。

#### 接触层与界面工程的重要性

接触层的选择对太阳能电池的性能同样具有重要影响。本文中，研究者们比较了多种金属接触材料，包括铜、金、镍、钯、铂等，以评估其对 Cs?PtI? 基太阳能电池性能的影响。模拟结果显示，不同金属接触材料对电池的开路电压（V_OC）、短路电流密度（J_SC）和填充因子（FF）有不同的影响。例如，使用镍作为金属接触材料时，电池的填充因子和光电转换效率显著提高，这表明镍是一种理想的后接触材料。

此外，研究者们还分析了不同界面材料对电池性能的影响。例如，TiO?、CdS、WS?、ZnO、ZnOS 和 ZnMgO 等材料作为电子传输层（ETL），以及 CBTS、GO、Cu?O、C??、CuI 和 MoO? 等材料作为空穴传输层（HTL），其对电池性能的优化至关重要。通过调整这些传输层的厚度和材料选择，研究者们发现某些特定的组合可以显著提升电池的性能。

#### 带隙优化与能量带对齐

带隙优化是提升太阳能电池性能的关键策略之一。Cs?PtI? 的带隙值为1.4 eV，这一值能够有效匹配太阳能光谱的波长范围，从而提高光吸收效率。研究者们通过调整 Cs?PtI? 的带隙值，发现当带隙为1.4 eV 时，电池的光电转换效率达到最优。此外，能量带对齐也是影响电池性能的重要因素，通过合理设计 ETL 和 HTL 的能量带位置，可以有效促进电子和空穴的分离和传输，提高电池的效率。

#### 优化后的性能表现

通过上述参数的优化，研究者们发现 Cs?PtI? 基太阳能电池在特定配置下可以实现非常高的光电转换效率。例如，使用 ZnO 和 CBTS 作为 ETL 和 HTL 时，电池的光电转换效率可以达到31.66%。相比之下，使用 TiO? 和 MoO? 作为 ETL 和 HTL 时，电池的光电转换效率为30.04%。这些结果表明，Cs?PtI? 在特定的传输层组合下可以实现接近理想性能极限的光电转换效率。

#### 实验与模拟的结合

为了验证数值模拟的结果，研究者们将模拟参数与实验数据进行了对比。实验数据显示，Cs?PtI? 基太阳能电池在 FTO/CdS/Cs?PtI?/C??/Cu 配置下，其光电转换效率与模拟结果基本一致。这表明数值模拟方法在预测和优化 Cs?PtI? 基太阳能电池性能方面具有较高的准确性。

#### 实际应用的挑战与前景

尽管 Cs?PtI? 在实验室条件下表现出优异的性能，但其在实际应用中的稳定性、可扩展性和成本效益仍需进一步研究。例如，长期暴露于高温、高湿和强光条件下，Cs?PtI? 的性能可能会受到影响，因此需要进行更多的稳定性测试。此外，大规模生产和成本控制也是实际应用中的关键问题。

然而，Cs?PtI? 的优势在于其无铅特性，这使其在环保和健康方面具有明显的优势。如果能够克服其在实际应用中的稳定性问题，Cs?PtI? 有望成为一种替代传统铅基钙钛矿材料的理想选择。此外，研究者们还发现，Cs?PtI? 在特定的传输层组合下，可以实现更高的光电转换效率，这为未来的研究提供了新的方向。

#### 结论

综上所述，Cs?PtI? 作为一种无铅双钙钛矿材料，具有优异的光电性能和稳定性。通过数值模拟方法，研究者们发现其在特定的结构参数下可以实现接近理想性能极限的光电转换效率。此外，界面工程和传输层优化对电池性能的提升至关重要。虽然目前的研究主要集中在实验室条件下，但其在实际应用中的潜力仍然值得期待。未来的研究应进一步探索 Cs?PtI? 在实际环境中的稳定性和可扩展性，以推动其在太阳能电池领域的广泛应用。