Ge合金化Cu2ZnSn1-xGexS4空穴传输层的高效钙钛矿太阳能电池：器件模拟研究与性能突破

研究人员针对有机空穴传输材料（HTL）成本高、稳定性差的问题，通过SCAPS-1D模拟系统研究Ge合金化Cu2ZnSn1-xGexS4无机HTL对钙钛矿太阳能电池（PSC）性能的影响。优化后的Cu2ZnSn0.5Ge0.5S4器件效率达30.65%，显著提升电荷提取并抑制复合，为稳定高效PSC提供新策略。

　　

研究背景与意义

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其27%以上的认证效率成为硅基光伏的有力竞争者，但核心组件空穴传输层（HTL）仍依赖昂贵的有机材料如Spiro-OMeTAD，其稳定性差和复杂工艺制约商业化进程。无机硫族化合物Cu₂ZnSnS₄（CZTS）虽成本低廉，但1.5 eV的窄带隙导致界面能垒不足，电荷复合严重。通过Ge部分取代Sn形成Cu₂ZnSn_1-xGe_xS₄（CZTGeS）合金，可调控带隙至2.0 eV并增强载流子迁移率，但此前缺乏系统性器件级优化研究。

研究方法

Prince Sultan University和Alfaisal University的研究团队采用SCAPS-1D软件模拟FTO/SnO₂/Perovskite/CZTGeS/C器件结构，求解泊松方程和载流子连续性方程，分析能带排列、缺陷密度及厚度等参数。通过Nyquist和Mott-Schottky曲线验证电荷动力学，并与实验数据交叉验证。

研究结果

1. 器件模拟分析
Cu₂ZnSn_0.5Ge_0.5S₄ HTL实现30.65%效率（V_OC=1.274 V，J_SC=26.74 mA/cm²，FF=89.97%），归因于优化的能带对齐（减少界面势垒）和降低的电荷转移电阻。

2. 参数优化

• 吸收层厚度：400 nm时平衡光吸收与载流子复合；
• HTL电子亲和能：4.3 eV时形成阶梯式能级促进空穴提取；
• 缺陷密度：<10¹⁵ cm^-3可抑制SRH（Shockley-Read-Hall）复合。

3. 界面与背接触影响
金电极功函数>5.1 eV时减少空穴势垒，而界面缺陷密度>10¹⁶ cm^-3会导致V_OC下降12%。

结论与讨论

Ge合金化通过拓宽HTL带隙（1.5→2.0 eV）和提升电导率，显著增强PSCs的效率和稳定性。该研究为无机HTL设计提供理论框架，推动低成本、长寿命钙钛矿电池产业化。未来需结合实验验证界面钝化策略，并探索全光谱吸收的叠层器件应用。