反式錫基鈣鈦礦太陽電池性能分析與探討

饒俊慧，甘永進,2，覃斌毅，蔣曲博

(1.玉林師范學院物理與電信工程學院，廣西玉林 537000；2.玉林師范學院光電信息研究中心，廣西玉林 537000；3.桂林電子科技大學廣西光電信息處理重點實驗室，廣西桂林 541004)

能源危機和環境污染帶來的問題引起了社會普遍關注。鈣鈦礦太陽電池相關研究吸引了研究人員的興趣[1-2]。作為光伏領域的熱點研究材料，鈣鈦礦材料具有載流子遷移率高、吸收系數高等優點[3-4]，鈣鈦礦太陽電池(perovskite solar cells,PSCs)的效率(power conversion efficiency,PCE)已經達到25.5%，PSCs 的發展極具潛力。研究表明，高效的PSCs 常以CH3NH3PbI3為吸收層，分別 以TiO2和sprio-OMeTAD 為電 子傳輸層(electron transport layer,ETL)和空穴傳輸層(hole transport layer,HTL)。但是由于鉛具有毒性，對環境極不友好，而TiO2需要高溫制備不利于制備柔性電池，sprio-OMeTAD 價格昂貴，兩者特性均不穩定，對電池性能帶來不利影響，這些缺陷限制了PSCs 的推廣與應用。另外，正置結構(N-I-P)PSCs 容易獲得比反式結構(P-I-N) PSCs 更高的PCE，但是N-I-P 型PSCs 具有明顯的遲滯效應，相比之下，反式PSCs 的遲滯效應可忽略不計。

為避免Pb 元素對環境帶來的危害，Sn、Ag、Sb、Bi、Cu 及Ge 基鹵化物PSCs 逐漸被廣泛研究。其中，CH3NH3SnI3具有合適的帶隙（1.3 eV），是取代CH3NH3PbI3的較佳材料。研究表明，無機材料具有較佳的穩定性及更高的載流子遷移率，以無機材料作為PSCs 載流子傳輸層進行結構設計已被大量報道，PCBM、ZnO、SnO 以及IGZO 等均被報道可作為ETL，而CuI、NiO、CuSCN 以及P3HT 等被證實可作為HTL[5]。

因此，為進一步提高PSCs的輸出性能和穩定性，有效避免電池遲滯效應，本文以CH3NH3SnI3作為吸收層、以PCBM 和NiO 分別為ETL 和HTL 設計反式無鉛電池結構，并以開路電壓（open circuit voltage，Voc）、短路電流密度（short circuit current density，Jsc）、填充因子（fill factor，FF）及PCE 為主要指標，探討金屬背電極功函數、界面缺陷態密度、工作溫度以及ITO 功函數對電池性能的影響，為實驗上制備高性能的無鉛PSCs 提供理論指導，也為新型PSCs 的研究方向提供新思路。

1 實驗

本文基于一維太陽電池數值模擬軟件SCAPS-1D 進行仿真研究，通過設置相關器件參數以及邊界條件，SCAPS-1D 基于泊松方程及電子和空穴連續性方程這幾個半導體基本方程組計算得到電池光譜響應、J-V特性以及電場分布等，見式(1)～(3)所示。

式中：ε是相對介電常數；NA-和ND+分別為電離受主濃度和電離施主濃度；Ψ是靜電勢；x是位置坐標；Pt和nt分別表示捕獲空穴和捕獲電子；p 和n 分別表示自由空穴和自由電子；Jn和Jp分別表示光生電子電流密度和光生空穴電流密度；Rn(x)和Rp(x)表示電子和空穴的復合率；G(x)表示光生產生率。

本文以CH3NH3SnI3為吸收層，分別以PCBM 和NiO 為ETL 和HTL 構建反式電池器件，結構如圖1 所示。根據文獻[6-7]，設置器件各層材料參數，見表1 和表2。為使仿真結果更貼合實際，在PCBM 和CH3NH3SnI3以及CH3NH3SnI3和NiO之間分別插入一層界面層，命名為IDL1 和IDL2，吸收層以及IDL1 和IDL2 的缺陷類型、能量分布類型、能級位置均設置為Neutral、Single 和aboveEv0.6，其他設置見表3。另外，器件各層材料的電子和空穴熱速率統一設置為1.0×107cm/s，缺陷均設置為高斯類型，光照從HTL 端入射，入射光譜為AM1.5G光譜，環境溫度設置為300 K。在此基礎上，本文主要分析與探討金屬背電極功函數、界面缺陷態密度、工作溫度以及ITO功函數對電池性能的影響，旨在為實驗上制備高效的反式無鉛PSCs 提供一定的理論指導。

圖1 器件基本結構

表1 器件基本參數1

表2 器件基本參數2

表3 CH3NH3SnI3層缺陷和界面缺陷層設置

2 結果與討論

2.1 不同金屬背電極對電池輸出的影響

功函數不同的金屬背電極對電池內部勢壘[7]影響不同，進而對電池性能帶來不同的影響。為探討不同功函數的背電極對電池性能帶來的不同效果，本文分別以Al、Sn、Ag、Fe、Cu 以及Au 為背電極進行電池結構設計，不同金屬背電極功函數如表4 所示。

表4 不同金屬背電極功函數

圖2 是不同金屬背電極對電池性能的影響數據。圖2(a)為電池結構輸出J-V特性曲線，圖2(b)是電池輸出的PCE。由圖可見，以不同材料作為背電極時，隨著功函數變大，Jsc基本保持不變，而Voc呈現一定程度的減小，電池J-V特性逐漸變差，導致了FF的減小，使得PCE 下降。不同金屬背電極功函數造成了載流子運輸的勢壘高度不同，而勢壘高度對Voc的大小有決定性作用。背電極材料功函數越高，則勢壘高度越高，電子傳輸受到抑制，造成電壓損失，故Voc減小。背電極功函數過高時，可能會在界面形成肖特基結，電子傳輸進一步受到阻礙。因此，對于該結構而言，為獲得較佳的電池輸出性能，應盡量采用功函數較低的背電極材料，Al 和Sn 是較為合適的電極材料。

圖2 不同金屬背電極對電池性能的影響

2.2 界面缺陷態密度對電池輸出的影響

吸收層吸收能量大于其帶隙的光子后產生激子，激子在吸收層和載流子傳輸層的界面分離后形成電子和空穴，光生電子和光生空穴再沿著相應的載流子傳輸層運動。因此，載流子傳輸層和鈣鈦礦吸收層界面的缺陷態密度對電池性能有重要影響。為探究載流子傳輸層和鈣鈦礦吸收層界面的缺陷態密度對電池的性能影響，本文設置載流子傳輸層和鈣鈦礦吸收層界面的缺陷態密度在1.0×108～1.0×1016cm-3的范圍內變化，仿真結果見圖3 和圖4。

圖3 IDL1界面缺陷態密度對電池性能的影響

圖4 IDL2界面缺陷態密度對電池性能的影響

由圖3(a)可見，對于PCBM 和CH3NH3SnI3的界面IDL1 而言，當缺陷態密度不超過1.0×1012cm-3時，J-V特性曲線基本重合，電池性能差異不大。但當缺陷態密度大于1.0×1012cm-3時，Voc減小，電池性能下降。類似地，如圖4(a)所示，對于CH3NH3SnI3和NiO 的界面IDL2 而言，當缺陷態密度不超過1.0×1010cm-3時，J-V特性曲線基本重合，電池性能差異不大。但當缺陷態密度大于1.0×1010cm-3時，Voc減小，電池性能下降。隨著界面缺陷態的不斷增加，界面處復合中心和陷阱增多[8]，更多的光生電子或者光生空穴被捕獲，因此Voc減小，電池性能下降，如圖3(b)和圖4(b)所示。相比較于IDL1，IDL2缺陷態密度的改變對電池性能影響更為劇烈，原因是在反式的電池結構中，光線先通過HTL 再到達吸收層，之后才到達ETL。因此，在IDL2 處非平衡載流子數量以及復合中心和陷阱更多，導致了更大的復合率，因此IDL2 缺陷態密度的改變對電池性能影響更明顯。結合仿真結果，PCBM 和CH3NH3SnI3界面以及CH3NH3SnI3和NiO 界面的缺陷態密度應分別不超過1.0×1012cm-3以及1.0×1010cm-3。

2.3 工作溫度對電池輸出的影響

電池器件一般工作于室外，因此室外環境溫度對電池性能有重要影響。一般而言，電池所處的工作溫度超過300 K，故本文將工作溫度設置在200～600 K 范圍內變化，分析溫度變化對電池性能的影響，仿真結果見圖5。由圖可見，隨著工作溫度的升高，電池性能表現出下降的趨勢。溫度的升高，令空穴遷移率、載流子的濃度以及帶隙等發生變化，使得反相飽和電流增大及Voc減小，載流子復合得到增強，因此抑制了電池性能。因此，為使電池輸出較佳性能，工作環境溫度不應過高。

圖5 工作溫度對電池輸出參數的影響

2.4 ITO 功函數對電池輸出的影響

ITO 功函數影響界面復合情況，并由此影響Voc輸出[9]。為探究ITO 功函數對電池輸出性能的影響，本文將ITO 功函數設置在4.6～5.0 eV[7]范圍內變化，仿真結果見圖6。隨著ITO 功函數逐漸變大，電池內部傳輸勢壘減小，促進了空穴的運輸，使得界面復合減弱[9]，因此電池輸出較佳性能。由圖可見，當ITO 功函數從4.6 增至4.8 eV 時，Voc、Jsc以及FF均逐漸提升，因此提高了PCE 的輸出。但是當ITO 功函數大于4.8 eV 時，電池性能變化較小。由仿真結果知，為獲得較佳的電池性能，ITO 功函數不應低于4.8 eV。

圖6 ITO功函數對電池輸出參數的影響

3 結論

基于SCAPS-1D 構建結構為NiO/CH3NH3SnI3/PCBM 的反式錫基PSCs，分析和探討了金屬背電極功函數、界面缺陷態密度、工作溫度以及ITO 功函數對電池性能的影響。由仿真結果知，隨著金屬背電極功函數逐漸增大，電子傳輸受到阻礙，電池性能下降，因此功函數較低的背電極材料更為合適該電池；界面缺陷態密度的增加，使得復合中心和陷阱增多，導致Voc減小，電池性能下降。相較而言，NiO 和CH3NH3SnI3間的界面缺陷對電池性能影響更為明顯；隨著工作溫度不斷升高，電池性能不斷下降，因此應盡量避免電池工作溫度過高；隨著ITO 功函數逐漸變大，電池內部傳輸勢壘減小，促進了空穴的運輸，使得界面復合減弱，電池輸出較佳性能。本文的研究為實驗上制備高效的反式無鉛PSCs 提供一定的理論指導。