Cs2SnI6基无铅双钙钛矿太阳能电池的设计优化与性能突破：迈向28.43%转换效率的环境友好型光伏器件

针对铅基钙钛矿太阳能电池(PSCs)的毒性及稳定性问题，研究人员通过SCAPS-1D仿真系统筛选WS2/SrCu2O作为最佳传输层组合，优化界面缺陷密度至1014 cm-3，最终实现Voc=1.06V、PCE=28.43%的突破性效率，为全无机无铅PSCs商业化提供新范式。

　　

随着全球能源危机加剧，传统硅基太阳能电池因高成本、笨重等缺陷难以满足需求，而铅基钙钛矿太阳能电池(PSCs)虽效率惊人，却因铅毒性和Sn²⁺氧化问题阻碍商业化。更棘手的是，现有Cs₂SnI₆基器件效率普遍低于25%，其瓶颈在于传输层匹配不足和界面复合严重。

研究人员采用SCAPS-1D软件对FTO/WS₂/Cs₂SnI₆/SrCu₂O/Ni结构进行系统优化。通过对比7种电子传输层(ETL)和6种空穴传输层(HTL)，发现WS₂与SrCu₂O分别因零导带偏移(CBO=0eV)和+0.05eV价带偏移(VBO)成为最优组合。厚度优化表明300nm ETL和20nm HTL可平衡载流子提取与电阻损耗，而1000nm吸收层厚度实现光吸收与载流子扩散的最佳平衡。关键突破在于将体缺陷和界面缺陷密度控制在10¹⁴ cm^-3以下，使器件在300K时获得1.06V开路电压和87.11%填充因子。

研究采用的关键技术包括：1) SCAPS-1D数值模拟求解泊松-载流子连续性方程；2) 能带对齐原理筛选传输层材料；3) 单变量法系统优化12项物理参数；4) 高斯缺陷模型评估体/界面复合效应。

【传输层筛选】
WS₂凭借3.95eV电子亲和能与Cs₂SnI₆形成理想导带匹配，其10¹³ cm^-3的本征缺陷密度远低于PCBM(10¹⁵ cm^-3)，使J_sc提升至30.82mA/cm²。SrCu₂O的-5.50eV价带顶位置与吸收层(-5.55eV)形成0.05eV正偏移，比Cu₂O(+0.13eV)更利于空穴提取。

【厚度优化】
ETL厚度超过300nm会导致透光率下降，使J_sc增长停滞；而HTL在20nm即达饱和，因其不参与光吸收。吸收层在1000nm时实现28.06%峰值效率，过厚会引发串联电阻激增。

【缺陷工程】
当体缺陷密度从10¹⁴ cm^-3升至10¹⁸ cm^-3时，PCE从28.06%暴跌至8.62%，证实低缺陷晶体生长技术的重要性。界面缺陷实验显示WS₂/Cs₂SnI₆界面对缺陷更敏感，需将σ_n控制在10^-19 cm²以下。

【能带调控】
将吸收层带隙从1.2eV调至1.4eV，V_oc提升至1.06V而J_sc仅损失2.3%，最终获得28.43%的冠军效率。Ni背电极(5.5eV功函数)比Cu(4.8eV)降低空穴注入势垒。

该研究通过多参数协同优化，将Cs₂SnI₆基PSCs效率提升至28.43%，超越此前报道的23%极限。其创新性体现在：1) 首次论证WS₂/SrCu₂O组合的界面优势；2) 建立10¹⁴ cm^-3的缺陷控制阈值；3) 揭示1.4eV为Cs₂SnI₆最佳带隙。这些发现不仅为无铅PSCs提供设计蓝图，其"缺陷-性能"量化模型更可推广至其他光伏材料体系。