编辑推荐：
本研究针对钙钛矿太阳能电池(PSC)中空穴传输层(HTL)存在的高成本和稳定性问题，通过SCAPS-1D仿真平台系统研究了无HTL结构的FTO/ZnO/MAPbI3/Au电池性能。研究发现采用ZnO电子传输层(ETL)的器件转换效率(PCE)可达18.35%，经参数优化后最高PCE提升至34.55%，为简化器件结构、降低成本的高效PSC设计提供了重要理论依据。
在追求清洁能源的时代浪潮中，钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSC)以其惊人的发展速度和令人瞩目的光电转换效率(Power Conversion Efficiency, PCE)成为光伏领域的新星。这类电池不仅制造成本相对低廉，生产工艺也较为简单，更拥有可调节的能带结构，似乎完美契合了未来能源装置的需求。然而，光环背后隐藏着诸多挑战：传统PSC中不可或缺的空穴传输层(Hole Transport Layer, HTL)虽然能提升效率，但其材料本身价格昂贵，且容易与钙钛矿活性层发生不良反应，更可能因水分和氧气侵入而加速器件老化，严重制约了PSC的商业化进程。
面对这些棘手问题，科学家们开始思考：能否大胆地移除HTL，从而简化器件结构，降低成本，同时保持足够的效率？马来西亚理科大学纳米光电子研究与技术学院的P.R. Jubu研究团队就此展开了探索。他们采用半导体器件物理仿真软件SCAPS-1D，对无HTL结构的钙钛矿太阳能电池进行了系统研究，相关成果发表在《Next Materials》期刊上。
研究人员主要运用了SCAPS-1D数值仿真平台，通过求解泊松方程和载流子连续性方程，计算了不同器件结构的电流-电压特性、光谱响应等参数。研究聚焦于以甲基铵碘化铅(MAPbI3)为光吸收层的电池结构，比较了单一TiO2、单一ZnO以及TiO2/ZnO双层三种电子传输层(Electron Transport Layer, ETL)配置的性能差异。
3.1. 基于TiO2、ZnO和堆叠TiO2/ZnO ETL的原型器件比较
研究发现，采用ZnO作为ETL的器件表现最佳，其PCE达到18.35%，高于TiO2器件的16.65%和双层结构的16.81%。ZnO的高电子迁移率(100 cm2/V·s)和更适宜的能级匹配促进了电荷提取并减少了复合损失。
3.2. ETL厚度的影响
改变ZnO ETL的厚度(0.02-0.10 μm)对性能影响甚微，最佳厚度范围在0.04-0.06 μm之间，过厚会导致电阻损耗增加。
3.3. 吸收层厚度的影响
增加MAPbI3吸收层厚度(0.2-1.6 μm)显著提升所有性能参数。厚度为1.6 μm时，PCE达到24.36%，源于增强的光子吸收和电荷生成。
3.4. ETL施主掺杂浓度的影响
ETL的掺杂浓度(1017-1021 cm−3)对器件性能影响可忽略不计，表明ZnO本身具有良好的电荷传输特性。
3.5. 吸收层受主掺杂浓度的影响
吸收层的掺杂浓度显著影响性能。适度掺杂(1018 cm−3)利于性能，而过高或过低则导致复合增加或电荷提取不畅。
3.6. 吸收层缺陷密度的影响
吸收体缺陷密度从1011增至1018 cm−3导致性能明显下降，凸显了降低缺陷密度对抑制复合的重要性。
3.7. ETL缺陷密度的影响
ETL的缺陷密度在1011-1016 cm−3范围内对性能影响极小，展现了ZnO材料良好的缺陷容忍度。
3.8. ETL/吸收层界面缺陷密度的影响
界面缺陷密度在107-1012 cm−2范围内对性能影响较小，仅在最高值时有轻微性能衰减，表明界面质量良好。
3.9. 串联电阻的影响
串联电阻(Rs)的增加会显著降低填充因子(FF)和PCE，但不影响开路电压(VOC)和短路电流密度(JSC)。
3.10. 分流电阻的影响
分流电阻(Rsh)在较低值时会引起轻微性能衰减，但达到较高值后性能保持稳定。
3.11. 背接触的影响
背接触金属的功函数对性能至关重要。高功函数金属如铂(Pt, 6.35 eV)和铱(Ir, 6.0 eV)能形成欧姆接触，显著提升性能(PCE达25.96%)，而低功函数金属如钨(W)则性能较差。
3.12. PSC的优化性能
通过系统优化参数（包括吸收层厚度1.6 μm，ETL厚度0.08 μm，吸收层掺杂1018 cm−3，使用Pt背接触等），最终获得的FTO/ZnO/MAPbI3/Pt结构实现了VOC为1.46 V，JSC为26.16 mA/cm2，FF为90.74%，PCE高达34.55%的卓越性能。
3.13. 温度对优化PSC结构的影响
性能随温度升高(290-600 K)而下降，PCE从34.81%降至26.54%，主要归因于VOC和FF的降低，而JSC保持稳定，表明器件存在热不稳定性，这是钙钛矿材料的固有特性。
研究结论表明，无HTL结构的钙钛矿太阳能电池通过采用ZnO作为电子传输层并结合合理的参数优化，能够实现极高的光电转换效率。该研究不仅证实了ZnO ETL在电荷提取和传输方面的优越性，还揭示了背接触金属功函数对器件性能的关键影响。优化后的FTO/ZnO/MAPbI3/Pt结构实现了34.55%的转换效率，这一数值超越了多数已报道的含HTL器件，为简化器件结构、降低生产成本的高效钙钛矿太阳能电池开发提供了重要理论指导和技术路径。然而，研究也发现器件性能对温度较为敏感，这提示未来研究需要进一步关注器件的热稳定性问题。总体而言，这项研究通过系统的仿真分析，为无HTL钙钛矿太阳能电池的产业化应用奠定了坚实基础。
生物通 版权所有
