基于SCAPS方法对新型FTO/CdS/FASnI?/Sb?S?/au钙钛矿纳米结构太阳能电池的理论模拟

《Inorganic Chemistry Communications》：Theoretical simulation of novel FTO/CdS/FASnI 3/Sb 2S 3/au perovskite nanostructures based solar cell using SCAPS

　　艾哈迈德·G·拉马丹|穆罕默德·A·哈比卜|努尔汉·达尔韦什|纳迪姆·拉扎|孙宝全|阿卜杜勒哈米德·埃尔-沙尔|马哈茂德·阿卜杜勒法塔赫
埃及卡弗尔谢赫33516，卡弗尔谢赫大学理学院纳米科学与技术专业

摘要
本研究利用SCAPS-1D软件，对FTO/CdS/FASnI?/Sb?S?/Au结构的钙钛矿太阳能电池进行了深入的理论分析。研究重点是通过探究层厚度、材料带隙、载流子浓度以及温度对器件关键参数的影响，来优化光伏性能。三碘化亚锡甲脒（FASnI?）作为主要吸光层，其直接带隙为1.45电子伏特，具有较高的吸收系数且成分无毒，因此是铅基钙钛矿的理想替代品。硫化镉（CdS）充当电子传输层，而硫化锑（Sb?S?）则作为空穴传输层，二者有助于提升载流子分离效率并实现良好的能带对齐。理论计算结果表明，在1.5微米厚的FASnI?层、0.04微米厚的CdS层以及1微米厚的Sb?S?层的最佳配置下，该电池在标准AM 1.5G光照条件下的最大功率转换效率可达37.62%，开路电压为1.2107伏特，短路电流密度为34.56毫安/平方厘米，填充因子为89.9%。此外，研究还发现，随着工作温度的升高，由于重组现象加剧，开路电压、填充因子及整体效率都会下降。这些结果表明，所设计的FTO/CdS/FASnI?/Sb?S?结构是一种高效、稳定且环保的候选方案，有望用于未来的无铅钙钛矿光伏技术。

引言
太阳能是最具前景且储量丰富的可再生能源之一，能够有效解决全球能源危机以及日益增长的清洁能源需求[1]。过去十年间，太阳能光伏领域取得了飞速发展，其在效率、稳定性及可制造性方面均有显著提升[2]。新型半导体材料的出现进一步推动了下一代光伏技术的发展，这类技术不仅成本更低，而且更加环保[3]。在各类半导体材料中，卤化物钙钛矿因其优异的光电性能而备受关注[4]，它们具有较高的吸收系数[5]、可调控的直接带隙[6]、较长的载流子扩散距离[7]，以及较低的制备成本[8]。这类材料的通用化学式为ABX?，其中A为单价阳离子（如甲铵离子、甲脒离子或铯离子），B为二价金属阳离子（如铅离子、锡离子或锗离子），X为卤素阴离子（如氯离子、溴离子或碘离子）[9]。卤化物钙钛矿出色的物理和化学特性使其效率可与传统硅基太阳能电池相媲美，同时其制备工艺更为简单，还有望用于开发柔性轻质器件。在这一类材料中，碘化亚锡甲脒作为一种无铅钙钛矿吸光材料，展现出巨大潜力。它具有约1.4电子伏特的理想直接带隙[10]、较高的吸收系数[11]，以及良好的载流子传输性能[12]。与存在环境及毒性问题的铅基钙钛矿不同[13]，以锡取代铅的钙钛矿如FASnI?具有无毒且可持续的优点，其光电性能与铅基材料相当。因为用锡离子替代铅离子可以彻底消除铅基钙钛矿带来的环境危害，从而使得器件开发更符合全球可持续发展目标及绿色能源政策。近期关于无铅卤化物钙钛矿的对比研究也表明，用锡基或双钙钛矿材料替代铅基吸光材料，不仅能解决毒性问题，还能保持良好的光电性能，适用于高效光伏应用[14]。理论和计算分析表明，经过优化的无铅钙钛矿材料可具备与传统铅基材料相当的带隙值、强光学吸收能力以及高效的载流子传输性能[15–17]。这些研究结果进一步证明了向环境友好的钙钛矿太阳能电池过渡的可行性，且不会大幅影响器件性能。不过，Sn2?易氧化为Sn??这一固有不稳定性仍是制约器件长期稳定性的主要因素[18]。通过精心设计界面结构、对材料进行封装，以及优化制备条件，可有效抑制氧化反应，从而维持器件长期性能[19]。本研究设计了一种FTO/CdS/FASnI?/Sb?S?异质结太阳能电池结构，并通过数值模拟对其性能与稳定性进行了优化分析。每一层在器件工作中都发挥着至关重要的作用：掺氟氧化锡作为透明导电氧化物，既是前电极，又能让光线透过并进入吸光层[20]；硫化镉作为n型缓冲层，有助于实现有效的电子传输，降低界面重组损失[21]；FASnI?钙钛矿层则是吸光层，入射光子在此产生高量子效率的载流子[22]；最后，硫化锑作为p型空穴传输层，能够有效提取空穴，实现良好的能带对齐，并提升器件稳定性[23]。这种结构为开发高性能、无铅的钙钛矿太阳能电池提供了良好的途径。通过SCAPS-1D模拟，系统研究了材料参数如带隙、载流子浓度和层厚度对太阳能电池性能指标的影响，包括开路电压、短路电流密度、填充因子及效率等[24],[25]。本研究所得成果有望为开发高效稳定的卤化物钙钛矿太阳能电池，进而应用于未来的可持续能源领域提供帮助。

在本次模拟中，采用太阳能电池电容模拟器（SCAPS，版本3.3.10），对采用载流子传输材料的n-i-p平面钙钛矿结构进行了建模。这种n–i–p结构的无机载流子传输层异质结太阳能器件由n型硫化镉电子传输层、用于光吸收的FASnI?吸光层，以及p型硫化锑空穴传输层构成。该器件模型通过整合这些层来求解泊松方程和连续性方程。透明导电氧化物作为前电极，而金则作为后电极。图1展示了本次模拟所采用的异质结结构示意图。SCAPS-1D软件可通过整合材料参数、掺杂水平及能带结构，实现对多层结构的建模。模拟结果包括了量子效率、电流-电压曲线，以及开路电压、短路电流密度、填充因子和效率等核心性能指标[24],[25]。这些参数可通过以下公式计算：
Voc = kBT/q ln(1 + Iph/I0)
FF = Vm·Jm/Voc
η = FF·Voc/Jsc
Pin = Jsc
V = 0
其中，Voc表示开路电压，kB为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为元电荷，Iph为光生电流，I0为反向饱和电流。填充因子是基于最大功率点参数定义的，Vm和Jm分别对应最大输出功率时的电压和电流密度，而Jsc则是从模拟得到的J-V特性曲线中，在零电压条件下测得的短路电流密度。功率转换效率则是在标准AM1.5G光照条件（100毫瓦/平方厘米）下，最大输出功率与入射光功率密度Pin之比。计算过程中还运用了涉及泊松方程以及电子和空穴连续性方程的基本半导体公式[27, 28]：
?2Ψx/?x2 = eε0εrpx ? nx + ND ? NA + ρp ? ρn
?Jnx/?x = G?R
?Jpdx/?x = G?R
这些结果为优化太阳能电池的结构设计与性能提供了重要参考。本文中使用的具体参数列于表1和表2中。

片段研究
探讨Sb?S?空穴传输层对器件参数的贡献
引入硫化锑作为空穴传输层，能够显著提升钙钛矿太阳能电池的效率，其主要作用是为空穴迁移提供高效通道，促进空穴从吸光层注入电极。硫化锑具有优异的空穴迁移率，其能带结构与FASnI?、MASnI?、CsSnI?等钙钛矿吸光材料高度匹配，这种能带对齐有助于提升光生电流。

结论
本研究强调了在高效太阳能电池中使用FASnI?钙钛矿电池以及Sb?S?作为空穴传输层的重要性。通过SCAPS-1D软件对FTO/CdS/FASnI?/Sb?S?/Au结构进行了理论模拟，重点分析了不同工作温度对器件性能的影响。经过优化后的器件结构实现了37.62%的极高效率，其开路电压为1.2107伏特，填充因子为89.9%，短路电流密度为……

作者贡献说明
艾哈迈德·G·拉马丹：文章撰写——审阅与编辑、原文撰写、可视化、软件应用、方法设计、定量分析、数据整理。穆罕默德·A·哈比卜：文章撰写——审阅与编辑、可视化、软件应用、方法设计、定量分析、数据整理。努尔汉·达尔韦什：文章撰写——审阅与编辑、软件应用、方法设计、定量分析、数据整理。纳迪姆·拉扎：文章撰写——审阅与编辑、方法设计、资金获取、定量分析、数据整理。孙宝全：文章撰写——审阅与……

未引用参考文献
[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46]

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学科研处的资助（项目编号IMSIU-DDRSP2603）。

艾哈迈德·G·拉马丹，埃及卡弗尔谢赫大学理学院纳米科学与技术专业本科生。电子邮箱：[e-mail]。他曾于2026年发表一篇关于超级电容器和生物传感器应用的研究论文，其研究兴趣包括太阳能电池、超级电容器、计算技术、水热合成、电气性质、结构性质以及二维材料。