无铅KSnBr3 基钙钛矿太阳能电池的优化与性能分析：高效环保光伏技术的新路径

针对铅基钙钛矿太阳能电池(PSCs)的毒性问题，研究人员通过SCAPS-1D数值模拟优化了无铅KSnBr3 基n-i-p平面结构，系统分析了光活性层厚度、缺陷密度等关键参数，最终实现29.07%的功率转换效率(PCE)，为开发高效环保光伏技术提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其优异的光电性能和低成本制备工艺成为研究热点。然而传统铅基钙钛矿中铅的毒性严重阻碍其商业化进程，开发高效稳定的无铅替代材料迫在眉睫。近期发表在《Results in Engineering》的研究通过计算机模拟，为这一领域提供了突破性解决方案。

研究团队采用比利时根特大学开发的SCAPS-1D仿真软件，首次系统研究了无机钙钛矿KSnBr₃
的光伏性能。该材料具有0.93 eV的直接带隙、高载流子迁移率和优异稳定性，相比其他无铅候选材料如CsSnI₃
更具优势。通过建立FTO/TiO₂
/KSnBr₃
/Cu₂
O/Au的n-i-p平面结构模型，研究人员运用半导体物理方程（包括泊松方程和连续性方程）模拟器件行为，重点优化了光活性层厚度、电子亲和能、掺杂浓度等关键参数。

关键方法

1. 通过SCAPS-1D求解耦合微分方程，模拟载流子输运与复合动力学
2. 采用Shockley-Read-Hall模型分析缺陷辅助复合过程
3. 系统优化层厚(0.1-0.8 μm)、电子亲和能(3.0-5.0 eV)、掺杂浓度(10¹⁵
   -10¹⁸
   cm^-3
   )等参数
4. 评估不同背接触金属(功函数4.2-5.9 eV)对性能的影响

研究结果

1. 光活性层优化：厚度增至0.6 μm时获得最佳PCE 29.04%，过厚会导致载流子复合增加
2. 电子亲和能调控：4.5 eV时实现最小导带偏移，显著提升开路电压(V_oc
   =0.7323 V)
3. 掺杂工程：供体浓度10¹⁸
   cm^-3
   与受体浓度10¹⁶
   cm^-3
   组合最优
4. 缺陷控制：缺陷密度低于10¹⁵
   cm^-3
   时效率保持稳定
5. 背接触选择：功函数>5.0 eV的金属(如Au、Pt)均能维持29.07%的高效率

讨论与意义
该研究首次通过数值模拟证明KSnBr₃
作为无铅钙钛矿的可行性，其29.07%的PCE已接近铅基钙钛矿水平。相较于传统硅电池，该材料体系具有加工温度低(<150°C)、原料成本节约30%等优势。特别值得注意的是，通过溴元素掺杂实现的晶格稳定性，解决了锡基钙钛矿易氧化的难题。虽然目前结果为仿真预测，但为后续实验研究提供了明确优化方向，包括界面工程和规模化制备等关键问题的解决方案。这项工作为发展环境友好型光伏技术奠定了重要理论基础，推动可再生能源技术向可持续发展迈出关键一步。