基于GO 在Ge-基钙钛矿太阳能电池中的应用研究

2024-01-17陆成伟LUChengwei欧阳雨洁OUYANGYujie张胜军ZHANGShengjun郝艳玲HAOYanling王传坤WANGChuankun

价值工程 2024年1期

陆成伟 LU Cheng-wei；欧阳雨洁 OUYANG Yu-jie；张胜军 ZHANG Sheng-jun；郝艳玲 HAO Yan-ling；王传坤 WANG Chuan-kun

（兴义民族师范学院，兴义 562400）

1 绪论

近几年，随着研究的不断深入，钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池，其光电转换效率已经取得突破性进展。研究表明钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初3%提高到25.6%。钙钛矿材料化学通式一般可以表示为ABX3，其中A 是有机/无机阳离子（Cs 或MA 或FA）等，B是金属离子（Sn，Ge，Pb），X 是卤化物阴离子（Br，Cl 和I）等。钙钛矿太阳能电池的光电转换效率可以与传统硅基太阳能电池的光电转换效率相媲美。提高钙钛矿太阳能电池转换效率的同时，其高性能、稳定性和环保性越来越受研究者的重视。

Ge 基钙钛矿材料作为钙钛矿太阳能电池的光吸收层具有较强稳定性以及无毒性，是近期研究钙钛矿太阳能电池光吸收层材料的热点材料。Akoto 等研究者[1]利用SCAPS-1D-软件设计了C60作为电子传输层，CH3NH3GeI3作为光吸收层的钙钛矿太阳能电池。通过引入C60能有效地提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。Hima 等[2]研究了不同空穴传输层的CH3NH3GeI3作为光吸收层的钙钛矿太阳能电池的性能。通过计算发现采用CuSCN、NiO 和CuSbS2作为空穴缓冲能有效地提高钙钛矿太阳能电池的光电性能。研究发现同等条件下，CuSbS2作为空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为23.58%。

Spiro-OMeTAD 材料是常见的空穴传输层材料，该材料的引入能有效地提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。但该材料成本较高且具有不稳定性，限制了该材料的大规模应用。石墨烯材料（GO）与钙钛矿光吸收层能级相匹配，且具有较强的光透过性和易于加工等特点被广泛的应用在钙钛矿太阳能电池中。Wu 等[3]研究者在GO 上生长高质量的CH3NH3PbI3-xClx薄膜作为光吸收层，制备的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率超过12%。Ahmad 等[4]制备了结构为ITO/GO/PEDOT:PSS/MAPbI3/PCBM/carbon 的钙钛矿太阳能电池，利用GO/PEDOT:PSS 作为空穴传输层。研究表明该器件具有良好的稳定性，光电转换效率为5.2%。

本文主要构建了结构为FTO/TiO2/CH3NH3GeI3/IDL/GO/Al 的n-i-p 型钙钛矿太阳能电池。研究光IDL 与CH3NH3GeI3界面缺陷、光吸收层的介电系数对钙钛矿太阳能电池性能的影响。在计算过程中，FTO、TiO2、CH3NH3GeI3、IDL、GO 等材料的相关参数设置见参考文献[5-7]。

2 结果与讨论

图1 是计算得到的钙钛矿太阳能电池的光伏曲线和量子效率。通过计算发现钙钛矿太阳能电池的开路电为1.459V，短路电流密度为20.181mA/cm2，填充因数为85.441%，光电转换效率为25.167%，如图1（a）。图1（b）是钙钛矿太阳能电池的量子效率。可以看出钙钛矿太阳能电池在波长400-600nm 范围内，量子效率较大。在该波长范围内，光吸收层能有效地吸收光子并转变成电子和空穴。随着波长的增加，器件的量子效率减小。

图1 钙钛矿太阳能电池光伏曲线（a）和量子效率（b）

钙钛矿太阳能电池在制备过程普遍存在界面缺陷。界面缺陷的形成和钙钛矿光吸收层材料在沉积过程中与HTL 和ETL 的相互作用而产生的作用。因此，计算了面缺陷在1×1010～1×1016cm-2范围内，面缺陷对钙钛矿太阳能电池的影响如图2 所示。从图2 可见，面缺陷对钙钛矿太阳能电池的性能具有重要的影响。开路电压随着面缺陷地增加而减小，面缺陷为1×1010cm-2时，钙钛矿太阳能电池的的开路电压为1.70V，短路电流为20.32mA/cm2，填充因数为79.1715%，光电转换效率为27.3693%。当面缺陷为1×1016cm-2时，开路电压为1.25V，短路电流为15.47mA/cm2，填充因数为74.02%，光电转换效率为14.38%。但是填充因数的变化规律明显不同于开路电压、短路电流密度以及填充因数的随面缺陷地变化规律。在1×1010～1×1012cm-2范围内，填充因数随面缺陷增加而增加，当面缺陷数值大于1×1012cm-2时，填充因数呈现减小的趋势。

图2 IDL 与CH3NH3GeI3 界面缺陷对钙钛矿太阳能电池性能的影响

钙钛矿太阳能电池的介电常数与器件的工作环境和钙钛矿材料有关系。根据泊松方程，钙钛矿太阳能电池中，电势的色散与介电常数有关。当介电常数较小时，在钙钛矿光吸收层中将形成较大的电势，从而能够有效抑制电子和空穴的复合，从而导致器件获得较好的光电性能。当介电常数较大时，电势减小，从而导致电子和空穴的复合增加，进一步导致开路电压的减小如图3（a）。短路电流密度随着介电系数的增加呈现不规则变化如图3（b）。填充因数和光电转换效率的变化规律与开路电压的变化趋势类似如图3（c）-图3（d）所示。由此可见钙钛矿太阳能电池的性能参数受介电常数的影响。

图3 光吸收介电常数对钙钛矿太阳能电池性能的影响

钙钛矿太阳能电池中，光吸收层能够吸收光子并产生电子和空穴对，在钙钛矿太阳能电池中起到重要的作用。钙钛矿太阳能电池的光电性能受到光吸收层厚度的影响。为了进一步研究光吸收层厚度对钙钛矿太阳能电池性能的影响，计算了光吸收层厚度在100-1000nm 范围内，钙钛矿太阳能的各项性能如图4 所示。开路电压随着光吸收层厚度地增加而缓慢增加，这是由于随着光吸收层厚度地增加，导致空穴和电子复合增加并引起暗饱和电流增加，从而使得开路电压缓慢增加以及电流密度随着光吸收厚度地增加而减小如图4（b）所示。在100-600nm 范围内，填充因数随着光吸收层厚度地增加而增加。但600-1000nm范围内，填充因数呈现不规则变化。光电转换效率随着光吸收厚度地增加而增加，但在厚度为600-1000nm 范围内，光电转换效率增加比较缓慢。这是由于随着光吸收层厚度地增加，电子和空穴的复合几率进一步的增加造成的。综合考虑，选择光吸收层厚度为800nm 时，钙钛矿太阳能电池的开路电为1.46V，短路电流密度18.87mA/cm2，填充因数为93.54%，光电转换效率为25.78%。