面向下一代光伏技术的稳定无铅K2TiI6钙钛矿太阳能电池的设计与优化

《Micro and Nanostructures》：Design and Optimization of Stable Lead-Free K2TiI6 Perovskite Solar Cells for Next Generation Photovoltaics

　　

Shweta Dhakla|Parvesh K. Deendyal|Anuj Damara|Sarvesh Kumar|Abdullah A. Alshaikhi|Manish K. Kashyap

印度新德里110067，贾瓦哈拉尔·尼赫鲁大学物理科学学院可再生能源实验室

摘要

传统高效铅基钙钛矿太阳能电池中的铅会对健康和环境造成危害，这一问题促使人们大力研究无铅钙钛矿替代材料。本研究中探讨了无铅且稳定的K₂TiI₆作为太阳能电池吸收层的应用潜力。研究人员测试了多种电子传输层和空穴传输层材料，从42种不同的器件配置中找到了最有效的组合。在候选材料中，氧化石墨烯和铜钡锡硫化物分别被认定为与K₂TiI₆吸收层结合时最合适的电子传输层和空穴传输层。此外，研究还分析了吸收层厚度、缺陷密度以及背接触层功函数等关键参数对器件整体效率的影响。经过优化，最优的吸收层厚度为400纳米，缺陷密度为1×10¹⁴立方厘米负一次方。研究表明，功函数高于5.0电子伏特的材料适合用作太阳能电池的背接触电极。经过充分优化后，所设计的FTO/GO/K₂TiI₆/CBTS/Au太阳能电池取得了优异的性能，其功率转换效率达到27.11%，填充因子为90.86%。这项模拟研究可为开发环保型无铅太阳能电池提供参考。

引言

随着全球努力减少对化石燃料的依赖并降低温室气体排放，向100%可再生能源过渡的可行性受到了广泛关注。从非可再生能源转向可再生能源已成为解决能源安全问题、应对气候变化以及推动可持续发展的关键举措。可再生能源通过减少对有限化石燃料的需求并提供更清洁的能源选择，在实现净零碳排放方面发挥着重要作用。光伏技术是解决全球能源危机的最重要可持续方案，它能够将丰富的可再生太阳能直接转化为电能。自20世纪50年代以来，硅一直是制造太阳能电池的主要材料。然而，这类太阳能电池存在对超高纯度硅的需求以及较高的制造成本等问题。

新兴的ABX₃结构（A/B为有机/无机阳离子，X为卤素阴离子）的钙钛矿材料具有诸多优异特性，如可调带隙、高缺陷容忍度、强光吸收能力、高载流子迁移率、长载流子扩散长度、低激子结合能，同时还具备简单且成本低廉的溶液法制备工艺[1]，因此成为下一代光伏材料的理想选择。由于铅基钙钛矿太阳能电池的功率转换效率极高，目前已达到27%[2]，这一数值远超其他薄膜光伏技术，甚至可与商用晶体硅太阳能电池相媲美[2]，因此受到了光伏领域的极大关注。不过，根据肖克利-奎塞尔理论计算，带隙为1.34电子伏特的单结太阳能电池的最大功率转换效率可达约33%[3]，因此这类电池的性能仍有提升空间。而传统钙钛矿材料中铅的危害性也引发了人们对其替代材料的研发热潮[4,5,6]。基于锡的钙钛矿材料，如(MA/FA/Cs)SnI₃，因其出色的光吸收性能和理想的带隙，被视为潜在的无铅替代材料[7]。但其最大缺点是在空气中Sn²⁺容易氧化为Sn⁴⁺，这会导致缺陷产生、载流子复合增加，进而降低器件性能。此外，这类锡基钙钛矿材料在潮湿和氧气环境中也不稳定[8,9]，因此其功率转换效率仍低于铅基同类材料。还有研究表明，铋、铟和锑基双卤化物钙钛矿太阳能电池的带隙通常大于2电子伏特[10,11,12]，虽然这类材料在环境稳定性和结构稳定性方面优于锡基无铅钙钛矿，但过大的带隙使得它们只能吸收可见光谱中高能量、短波长的光子，这限制了吸收层内电子-空穴对的产生，从而导致短路电流密度降低，最终影响功率转换效率。最近有研究指出，K₂TiX₆（X=I/Cl/Br）[13,14,15]因其无毒性和优异的光学性能，有望用于光电设备中。尽管这种吸收材料具有很大的研究潜力，但仍需通过多种不同的器件结构对其进行优化。

此外，在太阳能电池器件结构中，电子传输层和空穴传输层对于决定整个器件的性能至关重要。除了功率转换效率之外，太阳能电池的成本和长期稳定性也是影响其商业化应用的重要因素。空穴传输层在器件总成本中占比很高，而有机空穴传输层的使用会导致器件性能随时间下降。最常见的有机空穴传输层之一——Spiro-OMeTAD，在未掺杂状态下就具有较低的空穴迁移率和较差的电导率[16]。为了提升其性能，人们通常会引入叔丁基吡啶和吸湿性锂盐LiTFSI等掺杂剂[16]，但这又会进一步增加空穴传输层的成本。显然，高昂的成本和较低的稳定性都是阻碍这类有机空穴传输层实现商业化的障碍[17]。同样，高效太阳能电池中常用的电子传输层材料TiO₂需要极高的工作温度（超过450摄氏度）[18]，这使得它难以用于柔性太阳能电池中。此外，TiO₂的电子迁移率较低，且在紫外线环境下不稳定[18]，这也限制了它的应用。因此，寻找具有高载流子迁移率、高电导率、高稳定性，同时还能以低成本在低温条件下加工的电子传输层材料显得极为重要。

通过对相关文献的深入分析，研究发现太阳能电池的性能优劣取决于空穴传输层、电子传输层以及吸收层材料的合理选择。基于这一认识，我们计划针对新型K₂TiI₆钙钛矿吸收层优化相应的传输层材料，从而提升太阳能电池的光伏性能。我们共研究了42种不同的太阳能电池器件结构组合。测试如此多的组合既耗费成本又浪费时间，因此我们打算采用数值模拟方法进行研究，这样就能在实际制作太阳能电池之前，减少优化电子传输层和空穴传输层所需的实验次数。

章节节选

模拟方法

所模拟的n-i-p结构太阳能电池的基本架构由背接触层（金）、空穴传输层、钙钛矿吸收层、电子传输层以及前接触层（氟掺杂氧化锡）组成，如图1所示。本次模拟中采用了新型的K₂TiI₆钙钛矿作为吸收层。我们使用了由根特大学的Marc Burgelman开发的的一维太阳能电池电容模拟软件SCAPS-1D来分析不同太阳能电池结构的光伏参数。

电子传输层的优化

在本研究中，我们通过测试6种不同的电子传输层材料和7种空穴传输层材料与K₂TiI₆吸收层的各种组合，共得到了42种不同的器件结构，如图2所示。我们在太阳能电池结构中加入了多种无机电子传输层材料，如TiO₂、SnO₂、镧掺杂的BaSnO₃、镉锌硫化物、铟镓锌氧化物以及氧化石墨烯，同时还使用了Spiro-OMeTAD、CBTS、Cu₂O、CuI、CFTS、P3HT和CuSbS₂等多种空穴传输层材料。

结论

本研究利用SCAPS-1D模拟工具，对n-i-p结构的无铅K₂TiI₆基太阳能电池进行了数值模拟和优化。我们通过改变不同的电子传输层和空穴传输层材料，共研究了42种器件结构，以找到最优的组合。在所测试的各种空穴传输层材料中，CBTS与SnO₂、TiO₂、LBSO、IGZO、CdZnS和氧化石墨烯等电子传输层材料搭配使用时，表现出了最佳的性能，其性能优于本研究测试的其他空穴传输层材料。这样的优异性能提升...

作者贡献说明

Parvesh Deendyal：负责撰写原始草稿、开展研究、进行正式分析以及数据整理工作。Shweta Dhakla：负责撰写原始草稿、确定研究方法、开展研究工作以及构思研究方案。Anuj Damara：负责开展研究、进行正式分析以及数据整理。Abdullah Alshaikhi：负责文章的审阅与编辑、结果可视化处理、资源协调以及资金筹集工作。Sarvesh Kumar：负责文章的审阅与编辑、结果可视化处理以及正式分析。Manish K Kashyap：负责文章的审阅与编辑、结果验证、项目监督以及整体规划工作。

数据可用性声明

本研究中所使用的所有SCAPS-1D模拟参数、材料性质以及器件结构信息，均详细记载在补充文件中。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

所有作者均感谢沙特阿拉伯吉达的国王阿卜杜勒-阿齐兹大学科学研究处提供的技术和资金支持，该项目的资助编号为IPP: 1509-130-2025。