锶掺杂双钙钛矿La2NiMnO6作为吸收层在钙钛矿太阳能电池中的带隙工程与性能优化研究

本综述系统探讨了锶（Sr）掺杂双钙钛矿材料La2NiMnO6（LNMO）在钙钛矿太阳能电池（PSC）中的应用。通过带隙工程将材料能带调控至1.37 eV近理想值，结合SCAPS-1D仿真优化器件结构（FTO/WS2/LNMO/CFTS/C），使光电转换效率（PCE）从13.90%显著提升至19.62%。研究揭示了缺陷密度对器件性能的影响规律，为新一代高效太阳能电池开发提供了重要理论依据和实践指导。

　　

引言

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）作为新一代光伏技术，其光电转换效率（PCE）在短短十余年间从3%跃升至25%以上，展现出超越传统硅基太阳能细胞的巨大潜力。这种快速发展得益于钙钛矿材料独特的可调带隙、长载流子扩散长度、高吸收系数以及低温溶液加工等优势。其中，带隙工程成为优化PSCs性能的关键策略，通过组分调控、掺杂或混合阳离子/卤化物结构可实现1.3-1.6 eV的理想带隙范围。

双钙钛矿材料La₂NiMnO₆（LNMO）因其可调带隙、高热稳定性和无毒特性受到关注，但其本征带隙（1.7-2.0 eV）偏离光伏应用最优值。锶（Sr）掺杂可通过晶格畸变和带隙内新能级形成有效降低带隙能量，增强可见光吸收并改善载流子传输性能。

材料与方法

采用固相反应法合成La_2-xSr_xNiMnO₆（x=0, 0.3, 0.5）多晶陶瓷，使用高纯度La₂O₃、NiO、Mn₂O₃和SrO原料，经过900-1450°C多阶段煅烧和烧结工艺制备均匀多晶粉末。

器件优化采用SCAPS-1D仿真工具，通过数值求解泊松方程和载流子连续性方程，系统分析掺杂浓度、层厚度、缺陷密度和界面特性对光伏参数的影响。最优器件结构为FTO/WS₂/LNMO/CFTS/C，其中WS₂作为电子传输层（ETL），CFTS作为空穴传输层（HTL），碳电极作为背接触。

结果与讨论

器件性能分析表明，Sr掺杂显著改善光伏参数：

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  纯LNMO（LNMO1）：V_OC=1.35 V，J_SC=21.99 mA/cm²，FF=46.74%，PCE=13.90%

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  中等掺杂（LNMO2）：V_OC=1.15 V，J_SC=28.68 mA/cm²，FF=53.25%，PCE=17.60%

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  高掺杂（LNMO3）：V_OC=1.15 V，J_SC=31.96 mA/cm²，FF=53.48%，PCE=19.62%

JV特性曲线显示Sr掺杂器件具有更高的电流密度和更平缓的曲线斜率，表明更好的电荷提取能力和更低的重组损失。量子效率（QE）曲线证实Sr掺杂拓宽了光响应范围，在300-800 nm波长范围内保持近100%的量子效率。

能带结构分析揭示关键界面特性：

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  导带偏移（CBO）：LNMO1（2.31 eV）> LNMO2（2.19 eV）> LNMO3（2.13 eV）

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  价带偏移（VBO）：LNMO1（0.24 eV）> LNMO2（0.13 eV）> LNMO3（0.02 eV）

  较低的CBO值和 spike-like VBO界面有利于减少载流子重组并改善电荷传输。

温度依赖性研究表明，所有器件在250-350K范围内呈现PCE随温度升高而改善的趋势，Sr掺杂样品表现出更好的热稳定性，表明掺杂增强了材料的热激活载流子传输特性。

缺陷密度影响分析发现，当缺陷密度低于10¹⁵ cm^-3时，Sr掺杂显著提升器件性能；但当缺陷密度超过此临界值，性能急剧下降，特别是高掺杂样品（LNMO3）对缺陷更加敏感。这归因于Shockley-Read-Hall（SRH）重组机制的主导作用，强调低缺陷浓度和良好界面质量对实现高效器件的重要性。

结论

Sr掺杂成功将LNMO带隙调控至1.37 eV近理想值，通过优化器件结构和界面工程，实现PCE从13.90%到19.62%的显著提升。研究证明Sr掺杂不仅增强光吸收和载流子生成，还改善电荷传输特性，但高性能依赖于低缺陷浓度（<10¹⁵ cm^-3）和良好的界面质量控制。该工作为双钙钛矿材料在光伏应用中的开发提供了重要理论基础和技术指导，推动新一代高效稳定钙钛矿太阳能电池的发展。