基于GO 在Ge-基鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用研究

陸成偉 LU Cheng-wei；歐陽雨潔 OUYANG Yu-jie；張勝軍 ZHANG Sheng-jun；郝艷玲 HAO Yan-ling；王傳坤 WANG Chuan-kun

（興義民族師范學(xué)院，興義 562400）

1 緒論

近幾年，隨著研究的不斷深入，鈣鈦礦太陽能電池作為第三代太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)取得突破性進展。研究表明鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從最初3%提高到25.6%。鈣鈦礦材料化學(xué)通式一般可以表示為ABX3，其中A 是有機/無機陽離子（Cs 或MA 或FA）等，B是金屬離子（Sn，Ge，Pb），X 是鹵化物陰離子（Br，Cl 和I）等。鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率可以與傳統(tǒng)硅基太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率相媲美。提高鈣鈦礦太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的同時，其高性能、穩(wěn)定性和環(huán)保性越來越受研究者的重視。

Ge 基鈣鈦礦材料作為鈣鈦礦太陽能電池的光吸收層具有較強穩(wěn)定性以及無毒性，是近期研究鈣鈦礦太陽能電池光吸收層材料的熱點材料。Akoto 等研究者[1]利用SCAPS-1D-軟件設(shè)計了C60作為電子傳輸層，CH3NH3GeI3作為光吸收層的鈣鈦礦太陽能電池。通過引入C60能有效地提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。Hima 等[2]研究了不同空穴傳輸層的CH3NH3GeI3作為光吸收層的鈣鈦礦太陽能電池的性能。通過計算發(fā)現(xiàn)采用CuSCN、NiO 和CuSbS2作為空穴緩沖能有效地提高鈣鈦礦太陽能電池的光電性能。研究發(fā)現(xiàn)同等條件下，CuSbS2作為空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為23.58%。

Spiro-OMeTAD 材料是常見的空穴傳輸層材料，該材料的引入能有效地提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。但該材料成本較高且具有不穩(wěn)定性，限制了該材料的大規(guī)模應(yīng)用。石墨烯材料（GO）與鈣鈦礦光吸收層能級相匹配，且具有較強的光透過性和易于加工等特點被廣泛的應(yīng)用在鈣鈦礦太陽能電池中。Wu 等[3]研究者在GO 上生長高質(zhì)量的CH3NH3PbI3-xClx薄膜作為光吸收層，制備的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率超過12%。Ahmad 等[4]制備了結(jié)構(gòu)為ITO/GO/PEDOT:PSS/MAPbI3/PCBM/carbon 的鈣鈦礦太陽能電池，利用GO/PEDOT:PSS 作為空穴傳輸層。研究表明該器件具有良好的穩(wěn)定性，光電轉(zhuǎn)換效率為5.2%。

本文主要構(gòu)建了結(jié)構(gòu)為FTO/TiO2/CH3NH3GeI3/IDL/GO/Al 的n-i-p 型鈣鈦礦太陽能電池。研究光IDL 與CH3NH3GeI3界面缺陷、光吸收層的介電系數(shù)對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響。在計算過程中，F(xiàn)TO、TiO2、CH3NH3GeI3、IDL、GO 等材料的相關(guān)參數(shù)設(shè)置見參考文獻[5-7]。

2 結(jié)果與討論

圖1 是計算得到的鈣鈦礦太陽能電池的光伏曲線和量子效率。通過計算發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的開路電為1.459V，短路電流密度為20.181mA/cm2，填充因數(shù)為85.441%，光電轉(zhuǎn)換效率為25.167%，如圖1（a）。圖1（b）是鈣鈦礦太陽能電池的量子效率?？梢钥闯鲡}鈦礦太陽能電池在波長400-600nm 范圍內(nèi)，量子效率較大。在該波長范圍內(nèi)，光吸收層能有效地吸收光子并轉(zhuǎn)變成電子和空穴。隨著波長的增加，器件的量子效率減小。

圖1 鈣鈦礦太陽能電池光伏曲線（a）和量子效率（b）

鈣鈦礦太陽能電池在制備過程普遍存在界面缺陷。界面缺陷的形成和鈣鈦礦光吸收層材料在沉積過程中與HTL 和ETL 的相互作用而產(chǎn)生的作用。因此，計算了面缺陷在1×1010～1×1016cm-2范圍內(nèi)，面缺陷對鈣鈦礦太陽能電池的影響如圖2 所示。從圖2 可見，面缺陷對鈣鈦礦太陽能電池的性能具有重要的影響。開路電壓隨著面缺陷地增加而減小，面缺陷為1×1010cm-2時，鈣鈦礦太陽能電池的的開路電壓為1.70V，短路電流為20.32mA/cm2，填充因數(shù)為79.1715%，光電轉(zhuǎn)換效率為27.3693%。當面缺陷為1×1016cm-2時，開路電壓為1.25V，短路電流為15.47mA/cm2，填充因數(shù)為74.02%，光電轉(zhuǎn)換效率為14.38%。但是填充因數(shù)的變化規(guī)律明顯不同于開路電壓、短路電流密度以及填充因數(shù)的隨面缺陷地變化規(guī)律。在1×1010～1×1012cm-2范圍內(nèi)，填充因數(shù)隨面缺陷增加而增加，當面缺陷數(shù)值大于1×1012cm-2時，填充因數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖2 IDL 與CH3NH3GeI3 界面缺陷對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響

鈣鈦礦太陽能電池的介電常數(shù)與器件的工作環(huán)境和鈣鈦礦材料有關(guān)系。根據(jù)泊松方程，鈣鈦礦太陽能電池中，電勢的色散與介電常數(shù)有關(guān)。當介電常數(shù)較小時，在鈣鈦礦光吸收層中將形成較大的電勢，從而能夠有效抑制電子和空穴的復(fù)合，從而導(dǎo)致器件獲得較好的光電性能。當介電常數(shù)較大時，電勢減小，從而導(dǎo)致電子和空穴的復(fù)合增加，進一步導(dǎo)致開路電壓的減小如圖3（a）。短路電流密度隨著介電系數(shù)的增加呈現(xiàn)不規(guī)則變化如圖3（b）。填充因數(shù)和光電轉(zhuǎn)換效率的變化規(guī)律與開路電壓的變化趨勢類似如圖3（c）-圖3（d）所示。由此可見鈣鈦礦太陽能電池的性能參數(shù)受介電常數(shù)的影響。

圖3 光吸收介電常數(shù)對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響

鈣鈦礦太陽能電池中，光吸收層能夠吸收光子并產(chǎn)生電子和空穴對，在鈣鈦礦太陽能電池中起到重要的作用。鈣鈦礦太陽能電池的光電性能受到光吸收層厚度的影響。為了進一步研究光吸收層厚度對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響，計算了光吸收層厚度在100-1000nm 范圍內(nèi)，鈣鈦礦太陽能的各項性能如圖4 所示。開路電壓隨著光吸收層厚度地增加而緩慢增加，這是由于隨著光吸收層厚度地增加，導(dǎo)致空穴和電子復(fù)合增加并引起暗飽和電流增加，從而使得開路電壓緩慢增加以及電流密度隨著光吸收厚度地增加而減小如圖4（b）所示。在100-600nm 范圍內(nèi)，填充因數(shù)隨著光吸收層厚度地增加而增加。但600-1000nm范圍內(nèi)，填充因數(shù)呈現(xiàn)不規(guī)則變化。光電轉(zhuǎn)換效率隨著光吸收厚度地增加而增加，但在厚度為600-1000nm 范圍內(nèi)，光電轉(zhuǎn)換效率增加比較緩慢。這是由于隨著光吸收層厚度地增加，電子和空穴的復(fù)合幾率進一步的增加造成的。綜合考慮，選擇光吸收層厚度為800nm 時，鈣鈦礦太陽能電池的開路電為1.46V，短路電流密度18.87mA/cm2，填充因數(shù)為93.54%，光電轉(zhuǎn)換效率為25.78%。

圖4 光吸收層厚度對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響

3 結(jié)論

利用SCAPS-1D 軟件計算了FTO/TiO2/CH3NH3GeI3/IDL/GO/Al 結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽能電池的光電性能。研究表明器件的光電轉(zhuǎn)換效率隨著GO/CH3NH3GeI3界面的摻雜濃度和介電常數(shù)的增加而減小。