高效无铅钙钛矿太阳能电池的SCAPS-1D数值模拟与优化研究

研究人员针对铅基钙钛矿太阳能电池(PSCs)的环境毒性问题，通过密度泛函理论(DFT)和SCAPS-1D模拟，优化了FTO/WS2/CsBaCl3/rGO/Pt异质结结构，实现了33%的理论转换效率(PCE)和91.1%的填充因子(FF)，为无铅钙钛矿光伏器件开发提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其26.1%的认证效率成为光伏领域新宠。然而传统铅基材料存在环境毒性，而锡(Sn²⁺)、锗(Ge²⁺)等替代元素易氧化且效率受限。更棘手的是，有机-无机杂化钙钛矿中甲胺(MA⁺)、甲脒(FA⁺)等有机组分的热不稳定性，导致器件在湿热条件下性能骤降。这些瓶颈严重制约着PSCs的商业化进程。

研究人员通过第一性原理计算和器件模拟，系统研究了CsBaX₃(X=Cl/Br/I)、RbMnBr₃和RbTiBr₃等全无机无铅钙钛矿材料。密度泛函理论(DFT)计算显示这些立方相材料具有0.7-4.47 eV可调的直接带隙，其中CsBaCl₃的Goldschmidt容忍因子达0.942，晶体结构稳定性优异。通过SCAPS-1D软件构建的n-i-p结构器件模型，采用漂移-扩散方程模拟载流子输运过程，并引入Shockley-Read-Hall复合模型分析缺陷影响。

关键实验技术包括：1)基于Quantum Espresso的GGA-PBE-vdw方法计算电子结构；2)SCAPS-1D中设置1.5G AM光照条件(1000 W/m²)；3)优化ETL/HTL界面能级匹配；4)系统分析厚度(200-1600 nm)、缺陷密度(10¹²-10¹⁹ cm^-3)、温度(250-500 K)等参数影响。

结构特性
立方晶系的CsBaCl₃在Γ点呈现直接带隙特征，价带顶和导带底重合，DOS分析显示费米能级附近存在高态密度峰，这有利于电荷传输。所有材料的容忍因子均在0.9-1.0的理想范围内，其中RbTiBr₃的带隙达3.3 eV，适合用于叠层电池顶电池。

器件性能
FTO/WS₂/CsBaCl₃/rGO/Pt结构在1200 nm吸收层厚度下表现最优：J_SC=24.49 mA/cm²，V_OC=1.47 V，FF=91.10%，PCE=32.83%。EQE谱显示360-730 nm可见光区量子效率接近100%，显著优于文献报道的Sn基器件(22% PCE)。Pt背电极因其5.7 eV功函数与rGO形成欧姆接触，比Au电极效率提升2%。

参数优化
关键发现包括：1)缺陷密度需控制在10¹³ cm^-3以下，否则SRH复合导致PCE骤降；2)掺杂浓度2×10¹⁸ cm^-3时实现载流子输运平衡；3)电子捕获截面需≤10^-15 cm²以抑制非辐射复合；4)R_S=0.5 Ω·cm²和R_Sh=10⁴ Ω·cm²时效率最优。

这项研究通过能带工程和界面调控，证实Ba基全无机钙钛矿可同时解决铅毒性和有机组分不稳定的核心难题。32.83%的理论效率已超越单结硅电池极限，WS₂/rGO传输层的引入使器件对界面缺陷容忍度显著提高。未来需重点解决CsBaCl₃与WS₂的晶格失配问题，并通过原子层沉积(ALD)等精密制备技术实现模拟结果的实验验证。该成果为发展高效稳定的第三代光伏技术提供了明确材料体系选择。