基于FASnI3的无铅钙钛矿太阳能电池性能优化计算研究

《Nonlinear Science》：SIR Dengue fever nonlinear mathematical model: A computational framework with numerical simulation

本文通过SCAPS-1D仿真软件系统研究了FASnI3基无铅钙钛矿太阳能电池(PSCs)的性能优化。研究比较了CuI和PTAA两种空穴传输材料(HTM)与ZnO电子传输层(ETL)的匹配效果，深入分析了吸收层厚度、掺杂浓度、体缺陷及界面缺陷等关键参数对开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)、填充因子(FF)和光电转换效率(PCE)的影响规律，为高性能无铅PSCs的开发提供了重要理论指导。

　　

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Device Structure and Simulation

本研究采用SCAPS-1D（太阳能电池电容模拟器）软件进行数值模拟，在AM 1.5G标准光照条件、300K温度下进行仿真计算。通过求解泊松方程和载流子连续性方程，我们可以精准获取器件的关键光电参数：光电转换效率(PCE)、填充因子(FF)、开路电压(V_oc)、短路电流密度(J_sc)、量子效率(QE)以及J-V特性曲线等。这些仿真数据为我们深入理解器件物理机制提供了有力支撑。

Optimization of Charge Transport Layer

在钙钛矿太阳能电池中，电荷传输层(CTL)犹如细胞的"交通指挥系统"，对整体性能起着决定性作用。电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)通过选择性传输载流子并阻挡相反电荷，有效降低复合损失。理想的传输层材料需要具备合适的能带排列、优异的载流子迁移率和优化的厚度参数。我们系统比较了多种电子传输材料与空穴传输材料的组合效果，发现ZnO与CuI/PTAA的搭配能够形成理想的能级对齐，为载流子输运搭建了"高速公路"。

Conclusions

通过SCAPS-1D的精细仿真，我们成功设计了一种环境友好型无铅钙钛矿太阳能电池结构。研究重点比较了CuI和PTAA两种空穴传输材料与ZnO电子传输层的协同作用。结果表明，较高的吸收层掺杂浓度(>10¹⁵ cm^-3)能显著提升效率，而界面缺陷特别是钙钛矿/HTL界面的缺陷密度成为限制性能的"瓶颈因素"。优化后的FTO/ZnO/FASnI₃/CuI/C和FTO/ZnO/FASnI₃/PTAA/C结构分别实现了28.72%和28.09%的理论效率，展现了FASnI₃基电池走向实际应用的巨大潜力。