综述：功率转换效率接近30%的无铅MaSnI3/Sb2S3异质结太阳能电池：一项SCAPS-1D模拟研究

《Solar RRL》：Lead-Free MaSnI3/Sb2S3 Heterojunction Solar Cell with Power Conversion Efficiency Approaching 30%: A SCAPS-1D Simulation Study

本研究通过SCAPS-1D模拟，深入探讨了由无毒的甲基铵碘化锡(MASnI3)和硫化锑(Sb2S3)构成的新型异质结太阳能电池(PSC)。优化后的器件结构实现了30.84%的卓越功率转换效率(PCE)，其高开路电压(VOC)和填充因子(FF)归因于拓宽的光谱吸收与有利的能带对齐，为高效环保光伏技术提供了理论蓝图。

　　

引言

随着全球对可再生能源需求的日益增长，开发高效且环境友好的光伏技术已成为研究热点。传统的铅基钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）虽然取得了令人瞩目的功率转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE），但铅的毒性和环境问题限制了其大规模商业化应用。因此，无铅钙钛矿材料的研究显得尤为重要。甲基铵碘化锡（MASnI₃）作为一种有前景的无铅钙钛矿候选材料，因其合适的光学带隙和高载流子迁移率而受到关注。然而，单一的MASnI₃吸收层器件往往面临稳定性差和电荷复合严重等问题。为了克服这些挑战，构建异质结结构，引入第二种吸收材料以协同优化光吸收和电荷管理，是一条有效的途径。

新型器件架构与模拟方法

本研究提出并理论验证了一种新颖的无铅异质结太阳能电池架构，其具体堆叠顺序为FTO/TiO₂/MASnI₃/Sb₂S₃/Spiro-OMeTAD/背电极。其中，TiO₂作为电子传输层（Electron Transport Layer, ETL），Spiro-OMeTAD作为空穴传输层（Hole Transport Layer, HTL）。研究的核心创新点在于将MASnI₃与另一种无毒材料硫化锑（Sb₂S₃）结合，形成双吸收层异质结。Sb₂S₃是一种具有良好稳定性和较强光吸收能力（尤其在长波长区域）的半导体材料。

研究团队利用专业的太阳能电池模拟软件SCAPS-1D，在标准AM1.5G光照条件下，系统地分析了关键器件参数对光伏性能的影响。这些参数包括各层（特别是两个吸收层）的厚度、掺杂浓度、缺陷密度以及器件的串联电阻等。

优化性能与关键发现

通过精细优化，该异质结器件展现出了卓越的性能参数：功率转换效率高达30.84%，短路电流密度（J_SC）为29.08 mA/cm²，开路电压（V_OC）达到1.22 V，填充因子（FF）更是高达87.15%。这一优异的性能主要归因于以下几个因素：

首先，引入200 nm厚的Sb₂S₃层显著拓宽了器件的光谱响应范围。MASnI₃主要吸收可见光，而Sb₂S₃能够有效吸收近红外区域的光子，从而实现了对太阳光谱更全面的利用，提升了J_SC。

其次，两种材料之间形成了有利的能带对齐。这种能带结构为光生载流子（电子和空穴）的分离和提取提供了强大的驱动力，同时抑制了载流子在界面处的复合，这是获得高V_OC和高FF的关键。

参数影响与材料选择

模拟研究深入揭示了各参数的影响机制。结果表明，对吸收层厚度进行精确控制至关重要。过薄的吸收层会导致光吸收不充分，而过厚的层则会增加体复合概率。同时，将界面缺陷密度和器件的串联电阻降至最低，是最大化效率的核心环节。低界面缺陷确保了电荷的顺利传输，低串联电阻则减少了能量损失。

此外，研究还评估了多种低成本空穴传输材料，包括MoS₂、Cu₂O_x、NiO_x和MoO_x。模拟发现，这些替代材料在某些情况下，其性能甚至优于昂贵且稳定性较差的传统材料Spiro-OMeTAD，在PCE和FF方面展现出潜力，这为降低器件成本和提高稳定性提供了更多选择。

结论与展望

这项SCAPS-1D模拟研究有力地证明，通过整合MASnI₃和Sb₂S₃构建异质结，是实现高性能、无铅钙钛矿太阳能电池的一条极具潜力的技术路径。研究强调了通过优化层厚度、抑制缺陷（特别是界面缺陷）以及降低串联电阻来实现高效率的策略。最终，该研究为未来开发环境可持续且经济可行的高效光伏器件提供了重要的理论依据和设计指导。