TiO₂孔隙结构的高级建模及其对混合卤化物钙钛矿太阳能电池效率的影响

时间：2026年1月24日

来源：Optical Materials

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本研究分析微孔层对钙钛矿太阳能电池效率的影响，提出改进的TiO₂多孔结构模型。通过引入混合卤化物钙钛矿（MAPbI₀.₈Br₀.₂）作为第二吸光层，在无需增加厚度的情况下使效率提升超2%。数值模拟验证了微孔结构优化对光吸收和载流子传输的显著改善作用，为器件设计提供理论支持。

Seyed Mohammad Hosein Jafari | Abdollah Abbasi

电气工程系，塞姆南大学，塞姆南，伊朗

摘要

本研究分析了介孔层在钙钛矿太阳能电池中的作用，并选择了一个改进的模型来模拟TiO₂的孔隙结构。为了增强对更宽光谱范围内的光吸收，采用了由MAPbI_0.8Br_0.2组成的混合钙钛矿作为第二种光吸收材料。这使电池效率提高了2%以上，而且无需增加吸收层的厚度。此外，还沉积了一层介孔TiO₂，随后在其中渗透了MAPbI₃和MAPbBr₃的混合物，以改善电荷传输和光吸收性能。通过数值模拟对多孔层的行为进行了研究，所得结果与制备出的电池性能表现出良好的一致性。研究结果表明，混合卤化物钙钛矿和介孔结构对钙钛矿太阳能电池的效率有显著影响。

章节摘录

引言

近年来，太阳能电池技术取得了显著进展，效率和成本都得到了显著提升[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在众多新兴的光伏技术中，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其出色的能量转换效率、易于制造以及低成本、大规模生产的潜力而受到了广泛关注。有机-无机卤化物钙钛矿卓越的光电性能...

设计架构

本研究使用了Silvaco Atlas仿真工具来模拟和探究钙钛矿太阳能电池的结构[34]。设置了典型的仿真条件，包括AM1.5G光谱、1000 W/m²的功率、300 K的工作温度以及前接触（FTO）照明。仿真中使用的材料参数列于表1中。仿真在稳态条件下进行，并采用了适当的复合模型（Shockley–Read–Hall模型和辐射模型）。

结果与讨论

本研究的主要目标是模拟钙钛矿太阳能电池，特别关注介孔层，以便在没有实验数据的情况下进行仿真。通过这种方法，可以在制造前对不同材料进行实验和比较。首先模拟TiO₂的多孔层，然后加入MAPbI_xBr_1-x作为第二种吸收材料，并研究其影响。最终，将形成完整的电池结构。

结论

本文表明，为了使混合卤化物钙钛矿太阳能电池表现出最佳性能，必须几乎完美地优化TiO₂介孔膜的微观结构和孔隙率。通过使用广义分级Bruggeman模型，我们对光学性质进行了数值模拟，结果与实验结果非常吻合。先进的建模方法有助于优化光吸收、电荷传输和整体设备效率。此外，还扩大了电池的吸收范围，而无需增加其他材料。