通过数值分析优化用于CH?NH?SnBr?钙钛矿太阳能电池的ETL（提取、转换和加载）层

《Materials Today Chemistry》：Optimization of ETL layers for CH 3NH 3SnBr 3 -Perovskite Solar Cells through numerical analysis

研究采用SCAPS-1D模拟优化了锡基双钙钛矿（CH3NH3SnBr3）太阳能电池的电子传输层（ETL），比较了C60、PCBM、SnS2和ZnSe作为ETL的性能。发现SnS2和ZnSe在优化后均实现27.94%的功率转换效率，其中SnS2和ZnSe的电子迁移率分别为50和400 cm2/V·s，但通过能带对齐和缺陷控制达到相近性能。研究还分析了缺陷密度、层厚度、掺杂浓度及温度对效率的影响，指出ETL材料选择对效率和稳定性至关重要，同时验证了锡基钙钛矿的环境友好性和稳定性优势。

　　在当前的研究中，我们探讨了基于锡基钙钛矿（CH?NH?SnBr?）的太阳能电池的性能优化。这项研究聚焦于电子传输层（ETL）材料的选择，包括C??、PCBM、SnS?和ZnSe。研究发现，FTO/SnS?/CH?NH?SnBr?/Cu?O/Au和FTO/ZnSe/CH?NH?SnBr?/Cu?O/Au两种结构均实现了27.94%的功率转换效率（PCE）。其中，SnS?作为ETL时，其开路电压（Voc）为1.0058 V，短路电流密度（Jsc）为34.005067 mA/cm2，填充因子（FF）为81.67%；而ZnSe作为ETL时，Voc为1.0059 V，Jsc为34.002106 mA/cm2，FF为81.68%。这两种ETL材料虽然在电子迁移率方面存在显著差异，但它们在实际应用中表现出相似的性能，这可能是由于它们的电子迁移率已达到一个饱和阈值，从而对Jsc和FF的影响变得微乎其微。

在分析ETL材料对性能的影响时，我们发现ETL的厚度变化对PCE的影响较为有限，尤其是SnS?和ZnSe。当ETL的厚度从0.01 μm增加到0.05 μm时，PCE仅略有下降。相比之下，C??和PCBM的PCE则随着厚度的增加而明显下降。这表明SnS?和ZnSe具有更好的厚度耐受性，更适合实际的大规模制造。然而，吸收层的缺陷密度对PCE的影响更为显著。随着吸收层缺陷密度从1013增加到101? cm?3，PCE急剧下降，从约31.3%降至接近0.5%。这表明，降低吸收层的缺陷密度是提升PCE的关键因素之一。

研究还探讨了不同ETL材料对吸收层受体密度（acceptor density）的影响。当受体密度从1013 cm?3增加到101? cm?3时，PCE显著提升，但超过这一范围后，PCE迅速下降。这可能是因为在较高的受体密度下，电荷收集效率不再提升，反而导致了电荷复合的增加。此外，研究还分析了串联电阻（Rs）和旁路电阻（Rsh）对太阳能电池性能的影响。随着Rs的增加，填充因子（FF）和PCE下降，而Rsh的增加则有助于提高FF和PCE。这些发现强调了在实际制造过程中，优化Rs和Rsh对于实现高效运行的重要性。

研究还评估了不同温度对太阳能电池性能的影响。随着温度从290 K增加到350 K，Voc、FF和PCE均有所下降。这可能是因为温度升高导致吸收层的能带间隙减小，从而增加了内在载流子浓度和复合损失。此外，ZnSe和SnS?的结构在温度变化下的表现相似，表明它们在不同环境条件下具有良好的稳定性。

通过比较不同ETL材料的性能，我们发现尽管SnS?和ZnSe在电子迁移率和能带间隙方面存在差异，但它们在模拟条件下表现出相似的PCE值。这可能是由于SCAPS-1D模型中假设了理想化的界面和无缺陷的材料特性，使得材料的内在差异在模拟中未被完全体现。因此，尽管模拟结果表明SnS?和ZnSe的性能相似，但在实际应用中，材料的具体性质和界面质量可能会影响其表现。

此外，研究还分析了生成和复合率对太阳能电池性能的影响。在吸收层的特定深度，载流子的生成和复合速率显著增加，这可能与晶界缺陷、光吸收不足和能带对齐问题有关。这些发现为优化太阳能电池的设计提供了重要的指导，强调了材料选择和界面工程在提升性能中的关键作用。

最后，研究对比了现有文献中的相关工作，发现所提出的结构在PCE方面表现出色，达到了27.94%，远高于之前报道的24.02%、26.33%等值。这表明，通过优化ETL材料和吸收层的特性，锡基钙钛矿太阳能电池具有实现高效率的潜力。然而，模拟结果与实验数据之间仍存在一定的差距，这可能是由于理想化条件和实验中的材料缺陷等因素所致。因此，未来的工作需要进一步的实验验证，以确保这些优化配置在实际应用中的可行性。

综上所述，这项研究展示了锡基钙钛矿太阳能电池在优化ETL材料、吸收层缺陷密度和层厚方面的潜力。SnS?和ZnSe作为ETL材料，不仅在PCE方面表现出色，还具有良好的稳定性和厚度耐受性。这些发现为未来开发高效、环保且稳定的太阳能电池提供了重要的理论基础和技术指导。