鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電模擬及器件優(yōu)化方法

田苗苗　范芯月　朱琳　李加龍

【摘 要】對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池內(nèi)部的載流子復(fù)合機(jī)理、復(fù)合方式、缺陷類型進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)在光電器件內(nèi)的多尺度及全方位的半導(dǎo)體光電模擬的優(yōu)化工作，結(jié)合器件制備的優(yōu)化策略，將有助于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。鈣鈦礦太陽(yáng)電池在工作條件下，器件內(nèi)部的光場(chǎng)及電場(chǎng)的分布對(duì)光生載流子的輸運(yùn)行為有著重要的影響，并最終影響器件的光電性能。半導(dǎo)體光電模擬可以在理論上通過(guò)計(jì)算手段明晰各個(gè)功能層的選擇并預(yù)測(cè)內(nèi)部電子與空穴的分布及傳輸行為，為實(shí)際光電器件的制備提供技術(shù)指導(dǎo)，并能極大地縮短研究進(jìn)程。通過(guò)FDTD及APSYS與DFT光電模擬手段可在理論上明晰并優(yōu)化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中各個(gè)功能層的光學(xué)與電學(xué)行為，實(shí)現(xiàn)在光電器件內(nèi)的多尺度及全方位的半導(dǎo)體光電模擬的優(yōu)化工作，結(jié)合器件制備的優(yōu)化策略，有望在理論上指導(dǎo)高效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備。

【關(guān)鍵詞】光電模擬;電荷傳輸層;器件制備;界面工程

中圖分類號(hào)： TM914.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 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(yáng)能電池因其具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：如材料禁帶寬度可調(diào)節(jié)，光吸收效率較高，易于制備，載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度較長(zhǎng)，具有二維電導(dǎo)特性等等，因而近幾年被廣泛關(guān)注。鈣鈦礦電池的研究已取得了可喜成果，但其在進(jìn)一步的發(fā)展中，仍然還存在著諸多障礙。其中一個(gè)亟待解決的難點(diǎn)就是如何優(yōu)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(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。如今，對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究已經(jīng)不僅僅集中在對(duì)效率的提升上，還包括對(duì)新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的探究。對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池內(nèi)部的載流子復(fù)合機(jī)理、復(fù)合方式、缺陷類型進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)在光電器件內(nèi)的多尺度及全方位的半導(dǎo)體光電模擬的優(yōu)化工作，結(jié)合器件制備的優(yōu)化策略，將有助于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。在設(shè)計(jì)并獲得新的無(wú)鉛鈣鈦礦光電材料之后，如何選擇合理的電荷傳輸層并設(shè)計(jì)最優(yōu)化的器件結(jié)構(gòu)就成了必須優(yōu)先解決的問(wèn)題。鈣鈦礦太陽(yáng)電池在工作條件下，器件內(nèi)部的光場(chǎng)及電場(chǎng)的分布對(duì)光生載流子的輸運(yùn)行為有著重要的影響，并最終影響器件的光電性能。半導(dǎo)體光電模擬可以在理論上通過(guò)計(jì)算手段明晰各個(gè)功能層的選擇并預(yù)測(cè)內(nèi)部電子與空穴的分布及傳輸行為，為實(shí)際光電器件的制備提供技術(shù)指導(dǎo)，并能極大地縮短研究進(jìn)程。

1 結(jié)果與討論

在做電磁場(chǎng)仿真程序時(shí)，采用時(shí)域有限差分法具有很強(qiáng)的通用性和實(shí)用性。FDTD軟件系統(tǒng)圖形界面直觀、數(shù)據(jù)處理效率高，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體層和導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)、介質(zhì)層和超薄介質(zhì)層結(jié)構(gòu)以及細(xì)線結(jié)構(gòu)等模塊的計(jì)算功能。我們可以根據(jù)不同的需要選取相應(yīng)模塊，完成對(duì)特殊問(wèn)題的仿真。因此，為更加深入理解與分析鈣鈦礦太陽(yáng)能電池內(nèi)部物理機(jī)制，提高器件光電轉(zhuǎn)換效率，通過(guò)結(jié)合時(shí)域有限差分軟件FDTD Solutions、半導(dǎo)體器件物理有限元素分析軟件APSYS及密度泛函理論DFT計(jì)算手段可開(kāi)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(dá)式。最后得出了提高電池光伏性能的幾點(diǎn)基本要求從理論上預(yù)測(cè)上述光電功能材料在器件中的四個(gè)光伏過(guò)程：激子的產(chǎn)生、激子的傳輸、激子的分離和載流子的收集，對(duì)其中光學(xué)行為、載流子輸運(yùn)、理論光電流密度大小、開(kāi)路電壓等特性;進(jìn)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(jié)合的構(gòu)筑關(guān)系;（3）探究激子在新型無(wú)鉛鈣鈦礦光敏層中的生成、解離、擴(kuò)散及收集的物理機(jī)制，提高載流子在微觀尺度上的傳輸及收集效率;（4）揭示無(wú)鉛鈣鈦礦光電器件中的晶態(tài)缺陷密度、載流子濃度、能帶結(jié)構(gòu)、Urban能大小、載流子復(fù)合速率、載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度對(duì)器件性能的影響。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)在光電器件內(nèi)的多尺度及全方位的半導(dǎo)體光電模擬的優(yōu)化工作，并最終指導(dǎo)實(shí)際的器件制備。上述工作的開(kāi)展對(duì)從根本上提升無(wú)鉛光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率有著決定性的意義。

除了傳統(tǒng)的三維鈣鈦礦材料外，近年來(lái)二維鹵化物鈣鈦礦材料開(kāi)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(jié)構(gòu)上的差異，造成了各類型材料不盡相同的科學(xué)屬性，在光電特性的研究與優(yōu)化方面，可圍繞（110）取向的二維層狀鹵化物鈣鈦礦材料開(kāi)展如下三個(gè)方面工作：

1.1 A′位有機(jī)空間層材料尺寸對(duì)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的影響

在RP相中，在分子設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下，合成具有適宜分子長(zhǎng)度的A′有機(jī)分子，使其長(zhǎng)度約為八面體夾層空間距離的一半左右，實(shí)現(xiàn)A′有機(jī)分子在夾層空間的有效堆疊以及不同夾層空間的有機(jī)分子之間的完全隔離，在量子阱結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)出良好的空間電荷限域作用，有效的穩(wěn)定二維層狀鹵化物鈣鈦礦材料的光生激子，從結(jié)構(gòu)特性上獲得具有優(yōu)異光電特性的二維材料。

在DJ與ACI結(jié)構(gòu)中，與RP相反，可制備分子尺寸更小的A′有機(jī)分子，去實(shí)現(xiàn)在八面體層間的重疊堆積結(jié)構(gòu)，在分子尺度上實(shí)現(xiàn)相鄰的八面體層之間微弱的交互作用，最終實(shí)現(xiàn)具有穩(wěn)定相結(jié)構(gòu)的二維層狀鹵化物鈣鈦礦材料。

1.2 不同n值對(duì)鈣鈦礦光電特性的影響

二維層狀鈣鈦礦材料除穩(wěn)定性及材料的豐富性之外，一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)即是可以通過(guò)不同n值（八面體層數(shù)）的二維量子阱結(jié)構(gòu)精確調(diào)控材料的光電特性，且其制備方法簡(jiǎn)單。受形貌特性以及熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)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(xué)特性的研究，二維層狀鹵化物鈣鈦礦材料的激子束縛能對(duì)器件的光電轉(zhuǎn)換效率具有重要影響。在n=1時(shí)，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(guò)采用物理模型及維數(shù)簡(jiǎn)約方法協(xié)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(dòng)力學(xué)行為，優(yōu)化激子的壽命、擴(kuò)散長(zhǎng)度及束縛能，為高效率器件的制備奠定技術(shù)及理論基礎(chǔ)。

1.3 不同相結(jié)構(gòu)材料的形貌演變規(guī)律

由于三種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)（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(tǒng)的三維材料有著較大區(qū)別。

在上述基礎(chǔ)上，通過(guò)良溶劑與不良溶劑的氣氛處理技術(shù)、熱退火方法及溶劑后處理工藝對(duì)制備的材料開(kāi)展形貌演變規(guī)律的研究，探究其晶格穩(wěn)定性與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系及材料對(duì)溶劑調(diào)控的耐受性，在此基礎(chǔ)上獲得易于制備的鈣鈦礦光電材料的方法與技術(shù)。

在實(shí)際的光電器件制備過(guò)程中，具體的優(yōu)化策略如下：（1）優(yōu)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(shí)大幅提高其穩(wěn)定系;（2）發(fā)展鈣鈦礦晶粒原位生長(zhǎng)技術(shù)，包括可控溶劑氣氛處理方法、良溶劑與不良溶劑混合調(diào)控技術(shù)、鈣鈦礦晶粒的原位包覆方法;（3）合成新型的有機(jī)小分子電子及空穴傳輸材料，在前期系列工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適用于無(wú)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(diào)控、界面功能層的引入等。

2 結(jié)論

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電模擬可在理論上優(yōu)化各功能層的光學(xué)與電學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上通過(guò)采用所述的器件優(yōu)化策略，有望在未來(lái)指導(dǎo)高效率鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的制備與優(yōu)化。

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