鈣鈦礦太陽能電池的光電模擬及器件優化方法

田苗苗　范芯月　朱琳　李加龍

【摘 要】對鈣鈦礦太陽能電池內部的載流子復合機理、復合方式、缺陷類型進行深入研究，實現在光電器件內的多尺度及全方位的半導體光電模擬的優化工作，結合器件制備的優化策略，將有助于鈣鈦礦太陽能電池領域的進一步發展。鈣鈦礦太陽電池在工作條件下，器件內部的光場及電場的分布對光生載流子的輸運行為有著重要的影響，并最終影響器件的光電性能。半導體光電模擬可以在理論上通過計算手段明晰各個功能層的選擇并預測內部電子與空穴的分布及傳輸行為，為實際光電器件的制備提供技術指導，并能極大地縮短研究進程。通過FDTD及APSYS與DFT光電模擬手段可在理論上明晰并優化鈣鈦礦太陽能電池中各個功能層的光學與電學行為，實現在光電器件內的多尺度及全方位的半導體光電模擬的優化工作，結合器件制備的優化策略，有望在理論上指導高效率的鈣鈦礦太陽能電池的制備。

【關鍵詞】光電模擬;電荷傳輸層;器件制備;界面工程

中圖分類號： TM914.4文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）14-0060-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.027

Photoelectric Simulation and Device Optimization for Perovskite Solar Cells

TIAN Miao-miao1 FAN Xin-yue1 ZHU Lin1，2 LI Jia-long2

（1.Changchun Normal university，Jilin Changchun 130000，China;

2.School of Changbai Korean Autonomous County，Changbai Jilin 134400，China）

【Abstract】Photoelectric properties of the functional layers in perovskite solar cells could be optimized by using the method of FDTD and APSYS and DFT. Combined with the optimization strategy of device preparation，finally，the problem existing in the perovskite solar cells are conclude and its efficiency could be enhanced.

【Key words】Photoelectric simulation; Charge transport layer; Device preparation; Interface engineering

0 引言

鈣鈦礦太陽能電池因其具有獨特優點：如材料禁帶寬度可調節，光吸收效率較高，易于制備，載流子擴散長度較長，具有二維電導特性等等，因而近幾年被廣泛關注。鈣鈦礦電池的研究已取得了可喜成果，但其在進一步的發展中，仍然還存在著諸多障礙。其中一個亟待解決的難點就是如何優化電荷傳輸層與鈣鈦礦層的接觸界面的性能，以提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率。如今，對鈣鈦礦太陽能電池的研究已經不僅僅集中在對效率的提升上，還包括對新材料、新結構、新工藝的探究。對鈣鈦礦太陽能電池內部的載流子復合機理、復合方式、缺陷類型進行深入研究，實現在光電器件內的多尺度及全方位的半導體光電模擬的優化工作，結合器件制備的優化策略，將有助于鈣鈦礦太陽能電池領域的進一步發展。在設計并獲得新的無鉛鈣鈦礦光電材料之后，如何選擇合理的電荷傳輸層并設計最優化的器件結構就成了必須優先解決的問題。鈣鈦礦太陽電池在工作條件下，器件內部的光場及電場的分布對光生載流子的輸運行為有著重要的影響，并最終影響器件的光電性能。半導體光電模擬可以在理論上通過計算手段明晰各個功能層的選擇并預測內部電子與空穴的分布及傳輸行為，為實際光電器件的制備提供技術指導，并能極大地縮短研究進程。

1 結果與討論

在做電磁場仿真程序時，采用時域有限差分法具有很強的通用性和實用性。FDTD軟件系統圖形界面直觀、數據處理效率高，可以實現導體層和導體層結構、介質層和超薄介質層結構以及細線結構等模塊的計算功能。我們可以根據不同的需要選取相應模塊，完成對特殊問題的仿真。因此，為更加深入理解與分析鈣鈦礦太陽能電池內部物理機制，提高器件光電轉換效率，通過結合時域有限差分軟件FDTD Solutions、半導體器件物理有限元素分析軟件APSYS及密度泛函理論DFT計算手段可開展以下的光電模擬：（1）并給出了光生電流密度Jph完整的表達式。最后得出了提高電池光伏性能的幾點基本要求從理論上預測上述光電功能材料在器件中的四個光伏過程：激子的產生、激子的傳輸、激子的分離和載流子的收集，對其中光學行為、載流子輸運、理論光電流密度大小、開路電壓等特性;進行模擬（2）明晰鈣鈦礦材料與電荷傳輸層之間元素鍵如C-I、O-I、S-I、Pb-I、Sn-I及其他金屬離子-I/O結合的構筑關系;（3）探究激子在新型無鉛鈣鈦礦光敏層中的生成、解離、擴散及收集的物理機制，提高載流子在微觀尺度上的傳輸及收集效率;（4）揭示無鉛鈣鈦礦光電器件中的晶態缺陷密度、載流子濃度、能帶結構、Urban能大小、載流子復合速率、載流子擴散長度對器件性能的影響。在此基礎上，實現在光電器件內的多尺度及全方位的半導體光電模擬的優化工作，并最終指導實際的器件制備。上述工作的開展對從根本上提升無鉛光伏器件的光電轉換效率有著決定性的意義。

除了傳統的三維鈣鈦礦材料外，近年來二維鹵化物鈣鈦礦材料開始嶄露頭角。由于三種主要類型（DJ、RP及ACI）的二維層狀鈣鈦礦材料在空間結構上的差異，造成了各類型材料不盡相同的科學屬性，在光電特性的研究與優化方面，可圍繞（110）取向的二維層狀鹵化物鈣鈦礦材料開展如下三個方面工作：

1.1 A′位有機空間層材料尺寸對鈣鈦礦結構的影響

在RP相中，在分子設計的指導下，合成具有適宜分子長度的A′有機分子，使其長度約為八面體夾層空間距離的一半左右，實現A′有機分子在夾層空間的有效堆疊以及不同夾層空間的有機分子之間的完全隔離，在量子阱結構中呈現出良好的空間電荷限域作用，有效的穩定二維層狀鹵化物鈣鈦礦材料的光生激子，從結構特性上獲得具有優異光電特性的二維材料。

在DJ與ACI結構中，與RP相反，可制備分子尺寸更小的A′有機分子，去實現在八面體層間的重疊堆積結構，在分子尺度上實現相鄰的八面體層之間微弱的交互作用，最終實現具有穩定相結構的二維層狀鹵化物鈣鈦礦材料。

1.2 不同n值對鈣鈦礦光電特性的影響

二維層狀鈣鈦礦材料除穩定性及材料的豐富性之外，一個重要的優點即是可以通過不同n值（八面體層數）的二維量子阱結構精確調控材料的光電特性，且其制備方法簡單。受形貌特性以及熱動力學穩定性的影響，通常很難獲得高n值下的純相二維層狀鈣鈦礦材料。

（RNH3）2（A）n-1BnX3n+1（RNH3）2A2B3X10+（n-3）ABX3

除了光學特性的研究，二維層狀鹵化物鈣鈦礦材料的激子束縛能對器件的光電轉換效率具有重要影響。在n=1時，材料通常具有較大的激子束縛能，這與理想光伏器件中的光吸收層特性尚有差距。可通過采用物理模型及維數簡約方法協同分析所制備的二維層狀鹵化物鈣鈦礦材料在不同n值下的激子動力學行為，優化激子的壽命、擴散長度及束縛能，為高效率器件的制備奠定技術及理論基礎。

1.3 不同相結構材料的形貌演變規律

由于三種常見結構（RP、DJ及ACI）的存在，二維層狀鹵化物鈣鈦礦材料隨著n值及A′的差異，其形貌演變與傳統的三維材料有著較大區別。

在上述基礎上，通過良溶劑與不良溶劑的氣氛處理技術、熱退火方法及溶劑后處理工藝對制備的材料開展形貌演變規律的研究，探究其晶格穩定性與溫度的對應關系及材料對溶劑調控的耐受性，在此基礎上獲得易于制備的鈣鈦礦光電材料的方法與技術。

在實際的光電器件制備過程中，具體的優化策略如下：（1）優化鈣鈦礦光敏層在器件中的鈍化行為，在提高器件性能的同時大幅提高其穩定系;（2）發展鈣鈦礦晶粒原位生長技術，包括可控溶劑氣氛處理方法、良溶劑與不良溶劑混合調控技術、鈣鈦礦晶粒的原位包覆方法;（3）合成新型的有機小分子電子及空穴傳輸材料，在前期系列工作的基礎上進一步開發適用于無鉛鈣鈦礦光電器件的新型小分子材料;（4）界面工程，主要包括界面的梯度摻雜、界面能帶調控、界面功能層的引入等。

2 結論

鈣鈦礦太陽能電池的光電模擬可在理論上優化各功能層的光學與電學特性，在此基礎上通過采用所述的器件優化策略，有望在未來指導高效率鈣鈦礦太陽能電池的制備與優化。

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