基于新型吸收材料钙钛矿InGeCl?的太阳能电池的理论研究

《Materials Today Physics》：Theoretical study on the novel absorber Perovskite InGeCl 3-based solar cells

　　

摘要

通过全面的密度泛函理论（DFT）和SCAPS-1D模拟，设计和优化了一种高效无铅钙钛矿太阳能电池，其中使用InGeCl₃作为吸收层。利用基于DFT的VASP程序，研究了InGeCl3的结构、弹性、电子和光学性质。DFT结果表明InGeCl3在热力学和力学上都是稳定的。通过HSE06计算得到的能带结构显示，该化合物具有1.45 eV的p型直接带隙。本研究采用从第一性原理（DFT）计算得到的InGeCl₃吸收层的物理参数，以及现有文献中的相邻电荷传输层的参数。系统分析了吸收层厚度和能带配对对FTO/TiO₂/InGeCl₃/Spiro-OMeTAD/Au器件结构的影响，以优化其性能。InGeCl₃表现出强烈的光学吸收能力，使得光生电流密度很高。在优化条件下，所提出的无铅器件实现了28.15%的显著光电转换效率，短路电流密度为43.12 mA cm^-2，开路电压为0.844 V，填充因子为77.3%。这些结果表明，InGeCl₃是一种非常有前景的、对环境友好的替代传统铅基钙钛矿的材料，适用于下一代光伏应用。

引言

光伏（PV）技术的演变通常分为三代。第一代以晶体硅（c-Si）太阳能电池为代表，由于具有高光电转换效率（PCE）和长期稳定性而在市场上占据主导地位。然而，c-Si技术的广泛应用受到能源密集型制造过程和高生产成本的限制[1]。第二代技术包括非晶硅（a-Si）、碲化镉（CdTe）和铜铟镓硒（CIGS）等薄膜技术。这些技术减少了材料使用和制造成本，但面临效率较低和毒性问题的挑战[2]。因此，开发了第三代太阳能电池以改善成本效益平衡，其中包括有机光伏（OPVs）、染料敏化太阳能电池（DSSCs）、量子点太阳能电池，特别是钙钛矿太阳能电池（PSCs）[3]、[4]。

在第三代候选材料中，卤化物钙钛矿因其卓越的光电性能而受到高度评价，这些性能包括可调的带隙、高光吸收、长的载流子扩散长度和缺陷容忍度[5]。虽然含铅（Pb）的钙钛矿在认证测试中实现了超过25%的效率，但铅的毒性和材料在环境条件下的不稳定性阻碍了其商业应用[6]。这些问题促使人们研究用Sn、Bi、Ge或In等无毒元素替代铅的环保替代品[7]、[8]、[9]。

最近在薄膜和无铅钙钛矿太阳能电池方面的进展越来越多地依赖于精确的数值建模，以在实验制造前预测和优化器件性能。例如，最近的研究成功地采用了SCAPS-1D和机器学习算法来模拟和优化各种可持续架构，如基于K₂CuCrCl₆的无铅钙钛矿[10]、使用3C-SiC和PEDOT: PSS改进的CIGS异质结构[11]，以及高效Rb₂AlAgI₆混合钙钛矿配置[12]。这些研究显著提高了对各种无铅光伏系统中的载流子传输、界面工程和缺陷物理的理解。然而，据我们所知，此前尚未有研究将第一性原理DFT计算与SCAPS-1D器件模拟相结合，系统性地研究InGeCl_{33架构具有简单的组成，并且与TiO2（ETL）和Spiro-OMeTAD（HTL）配对时具有非常有利的光学带隙对齐。这种最佳配对不仅确保了无障碍的电荷提取和强电子阻挡，防止了界面复合，还通过包含Spiro-OMeTAD提供了重要的环境稳定性。从理论上讲，这为可持续光伏器件提供了一条独特、稳定且具有竞争力的途径。}

因此，本工作的创新之处不仅在于引入了之前未被探索的无铅吸收材料InGeCl₃，还在于建立了一个全面的DFT到器件模拟框架，将材料的固有性质与光伏性能联系起来。这种综合方法为设计下一代环境友好的钙钛矿太阳能电池提供了宝贵的指导。

铟-锗卤化物钙钛矿（InGeX3，其中X = Cl, Br, I）是一类有前景的无铅材料，结合了铟的有利电子性质和锗的环境友好特性。第一性原理研究表明，InGeX3化合物具有直接带隙、强光吸收和优异的机械稳定性，使其适合用作下一代太阳能电池的吸收层[7]、[8]、[9]。特别是InGeCl3被认为是一种动态和机械上稳定的立方钙钛矿（Pm3m），其直接带隙约为1.29 eV，符合单结太阳能电池的Shockley–Queisser限值（1.2–1.4 eV）[7]。此外，InGeCl3还表现出优异的介电响应和可见光谱吸收，这对于最大化光电流生成非常重要[7]、[8]。

尽管已有对InGeCl3材料性质的理论预测，但全面的器件级建模和优化仍然大多未被探索。DFT计算提供了基本的固有参数，但不能完全预测太阳能电池的器件性能。像SCAPS-1D这样的计算工具通过将DFT得到的参数（如带隙、介电常数和有效态密度）纳入实际的器件模型，帮助填补了这一空白。

章节片段

方法

本研究全面分析了InGeCl₃作为无铅钙钛矿太阳能电池吸收层的应用，结合了理论和器件级方法。它使用密度泛函理论（DFT）评估了InGeCl₃的微观结构、电子、光学和力学性质。此外，还利用SCAPS-1D模拟来设计和优化器件结构（FTO/ETL/InGeCl₃/HTL）。研究了吸收层厚度、掺杂浓度、缺陷等因素对器件性能的影响

结构性质

所提出的InGeCl₃晶体的化学式为ABX₃，其中A代表较大的阳离子，B代表较小的阳离子，X代表阴离子。在这种晶体结构中，阳离子占据单元格的角位置，B位于中心，X填充面中心。A、B和X离子的排列形成了具有立方对称性的ABX₃框架。在本研究中，我们研究了卤化物InGeCl₃，它属于Pm3m空间群，具有立方结构。

结论

本研究采用DFT和SCAPS-1D相结合的方法，研究了InGeCl₃的固有性质，并评估了其作为高性能无铅钙钛矿太阳能电池吸收层的潜力。第一性原理计算确认了InGeCl₃的热力学和机械稳定性，并揭示了1.45 eV的直接带隙以及在可见光和近红外光谱区域的强光吸收。这些特性表明InGeCl₃

CRediT作者贡献声明

Yasemin ?iftci: 计算文稿撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、监督、研究、形式分析。Gülcin Corbac?;: 原始稿撰写、可视化、研究

未引用的参考文献

[79]。

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/个人关系：Yasemin Ciftci的报告由Gazi大学提供。

Gülcin Corbac?|Yasemin O. Ciftci