通过二维缓冲层工程实现效率高达32.38%的卓越硫属化合物太阳能电池：SCAPS-1D的研究成果

《Journal of Alloys and Compounds》：Remarkable 32.38% Efficient Chalcogenide Solar Cells using two dimensional Buffer layer Engineering: SCAPS-1D Insights

通过二维MoS?和WS?缓冲层优化钙锆硫化物（CaZrS?）基非毒性光伏器件，模拟显示MoS?结构使PCE提升至32.38%，并降低界面复合率。

　　

阿比谢克·库马尔·斯里瓦斯塔瓦（Abhishek Kumar Srivastava）|玛尼莎·巴杰帕伊（Manisha Bajpai）|C.K. 潘迪（C.K. Pandey）

物理系，西达尔萨特大学（Siddharth University），卡皮尔瓦斯图（Kapilvastu），西达尔萨特纳加尔（Siddharth Nagar），北方邦（UP-272202），印度

摘要

在本研究中，我们首次探讨了二维MoS₂（二硫化钼）和WS₂（二硫化钨）作为FTO/TiO₂/2-D Buffers/CaZrS₃/Cu₂O/Au太阳能结构中缓冲层的作用。我们使用SCAPS-1D模拟获得了基于硫属化合物层的太阳能电池参数。我们成功观察到了太阳能模块功率转换效率的提升。通过优化太阳能模块的参数，我们使用WS₂缓冲层实现了24.94%的转换效率（PCE）、18.610 mA/cm²的短路电流（Jsc）、1.556 V的开路电压（Voc）以及86.07%的填充因子（FF）。在使用MoS₂缓冲层时，我们获得了32.38%的PCE、24.449 mA/cm²的Jsc、1.535 V的Voc以及86.23%的FF。随后，我们对温度、电阻、光生电流和复合过程进行了优化，以提高太阳能电池的稳定性。模拟结果清楚地表明，在太阳能模块中加入MoS₂作为界面层比不加界面层时性能更好。本文为可持续光伏技术领域做出了宝贵贡献，通过概念化和预测了经济实惠、无毒的硫属化合物太阳能电池的发展。

引言

由于化石燃料的使用导致的气候变化，近年来全球市场对核能、绿色能源、风能和太阳能等新型可持续技术的需求显著增加[1]、[2]。随着可再生能源的不断增加，由化石燃料制成的资源正在逐渐枯竭。然而，太阳能因其无限的未来潜力、清洁性以及将阳光能量转化为电能的自然现象而在全球范围内受到欢迎[3]。太阳能电池，也称为硅基太阳能电池，属于第一代太阳能电池，但它们价格昂贵且制造过程复杂。因此，制造商转向了第二代太阳能电池，即薄膜太阳能电池，如CdTe和CIGS。尽管这些电池的成本较低，但它们含有有毒和稀土元素，限制了其商业应用。因此，研究人员将重点转向了第三代太阳能电池——钙钛矿太阳能电池。由于其低成本、简单的制造工艺和显著的功率转换效率（PCE），钙钛矿太阳能电池在光伏领域具有广泛应用前景[4]、[5]、[6]。目前，使用硅的第三代太阳能电池处于领先地位，转换效率约为25-26%。另一方面，第三代太阳能电池还包括有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池（含铅和无铅）、硫属化合物太阳能电池以及量子点太阳能电池，其转换效率达到了22%。基于铅的钙钛矿太阳能电池在光伏技术中占据市场主导地位，但它们的毒性是一个主要问题，阻碍了其广泛商业化[7]、[8]、[9]。Haunet等人[10]使用Rb0.02(FA0.95Cs0.05)0.98PbI2.91Br0.03Cl0.06材料制备了转换效率为22.4%的铅基钙钛矿太阳能电池。研究人员转向了无铅钙钛矿太阳能电池这一替代方案，尽管在性能和稳定性方面仍面临挑战[11]、[12]。Zihao等人报道使用FASnI₃无铅钙钛矿太阳能电池的转换效率超过14%[13]。硫属化合物太阳能电池属于钙钛矿太阳能电池的一个子类别，因其无毒性质、光电特性和稳定性而受到高度推荐[14]。在一般的钙钛矿化学式ABX₃中，卤化物成分X（如溴和碘）可以被硫属元素（如硒或硫）替代。最近，Aly等人[15]通过数值模拟展示了基于BaZrSe₃的硫属化合物太阳能电池的优异性能，使其成为铅基材料的潜在替代品。Song等人[16]利用第一性原理计算证明CaZrS₃具有优异的热稳定性，适用于未来能源应用。Rahman等人[17]通过DFT计算发现CaZrS₃和BaZrS₃具有直接带隙，并且低德拜温度（D）使其适合作为热障涂层材料。Rahman等人[18]进一步优化并报告称，基于CaZrS₃的硫属化合物太阳能模块的转换效率达到20.55%。

在本研究中，我们首次探讨了二维MoS₂和WS₂作为Rahman等人[18]提出的FTO/TiO₂/CaZrS₃/Cu₂O/Au硫属化合物太阳能电池结构中缓冲层的作用，以减少界面处的复合率，从而为光伏领域提供潜在解决方案。引入WS₂/MoS₂中间层可以修改界面能带，减少悬崖型偏移，使能带弯曲更加平滑，从而提高载流子迁移率。二维层可以钝化空位和晶界陷阱，显著降低界面缺陷密度[19]、[20]。Tang等人[21]报告称MoS₂具有较大的带隙可调性，是光电子纳米器件的有希望的候选材料。Sampad Ghosh等人[22]通过数值模拟证明了石墨烯/MoS₂缓冲层/CZTS/Ni结构的效率为18.27%，而Emon等人[23]报告了SnO₂/WS₂/CdTe/Au结构的效率为20.55%。我们使用SCAPS-1D模拟，数值模拟了以无毒CaZrS₃硫属化合物钙钛矿作为吸收层、Cu₂O作为高透明层（HTL）、WS₂和MoS₂作为缓冲层、TiO₂作为电子传输层（ETL）以及Au作为背接触层的太阳能电池，并通过优化硫属化合物层CaZrS₃厚度、WS₂和MoS₂缓冲层厚度、总缺陷密度（Nt）和浅施主密度（Nd）来展示输出电参数。本研究提出的太阳能模块由于Zr、Ca、W和Mo材料的低成本和易获取性，成为未来应用的有力竞争者。

材料与方法

我们仔细研究了所提出的设备模型FTO/TiO₂/2-D Buffers/CaZrS₃/Cu₂O/Au的n-i-p平面结构，如图1(a, b)所示。工作函数为5.4 eV的Al被用作前电极，工作函数为3.9 eV的Au被用作后电极。为了促进高电子传输，二维缓冲层MoS₂和WS₂的导带最小值（CBM）与CaZrS₃吸收层具有更好的能量对齐。

所提出结构的能带对齐情况

能带图

图3展示了含有MoS₂和WS₂两种二维缓冲层的CaZrS₃硫属化合物钙钛矿吸收层的能带图。能带的优化提供了关于模拟过程中空穴和电子提取情况的信息。理解能带对齐的概念非常重要，因为它直接影响HTL的性能，因为吸收层与ETL处于相同相[28]。在暗条件下，费米能级（E_f）保持均匀

结论

在本研究中，我们通过数值方法研究了CaZrS₃无铅钙钛矿与两种不同缓冲层结合使用以最大化光伏性能的潜力。通过系统地检查二维缓冲层在所提配置中的载流子生成情况，我们找到了最佳的吸收层厚度和缓冲层厚度，分别为0.4 μm和1.2 μm，有效减少了复合损失并提高了设备效率。

未引用参考文献

[32], [41]

CRediT作者贡献声明

C.K. 潘迪（Pandey C. K.）：撰写——审稿与编辑。阿比谢克·库马尔·斯里瓦斯塔瓦（Abhishek Kumar Srivastava）：撰写——初稿、方法论、研究、概念化。玛尼莎·巴杰帕伊（Manisha Bajpai）：撰写——审稿与编辑、验证、监督。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：玛尼莎·巴杰帕伊的报告由西达尔萨特大学（Siddharth University SiddharthNagar）提供。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢根特大学（University of Gent）的M. Burgelman教授及其团队成员提供SCAPS软件的使用权限。作者阿比谢克·库马尔·斯里瓦斯塔瓦（Abhishek Kumar Srivastava）和玛尼莎·巴杰帕伊（Manisha Bajpai）感谢北方邦科学技术委员会（Project ID: 3061）提供的财政支持。玛尼莎·巴杰帕伊博士还感谢卡皮尔瓦斯图（Kapilvastu）的西达尔萨特大学（Siddharth Nagar）以及高等教育部门提供的帮助（Project ID FS-018/R&D/SUK/2024）。