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近年来, 钙钛矿太阳能电池(PSCs)发展迅速, 效率大幅提高至26%以上[1,2], 成为传统硅太阳能电池的最佳替代品之一[3]. 这主要是由于钙钛矿材料具有高吸收率、高迁移率和低复合率[4,5]等突出优势. 然而, 有机-无机钙钛矿中的有机基团在光照和潮湿环境中长期储存时容易分解[6]. 此外, 钙钛矿中有毒的铅元素也容易泄漏[7], 这阻碍了钙钛矿太阳能电池的大规模商业开发. 因此, 通过用无机Cs+[8]取代有机阳离子以及用单价阳离子和三价阳离子的组合[9]取代Pb2+形成的全无机无铅双钙钛矿材料[10]是实现太阳能电池高效稳定发展的关键. Cs2AgBiX6 (X = Br, Cl或I)[11,12]作为光电领域最新兴的无机双钙钛矿材料, 可以通过简单的光催化反溶剂重结晶法或热注入法等方法[13–15]合成太阳能电池, 并且没有铅毒性.
然而, Cs2AgBiX6 (X = Br, Cl或I)面临着间接带隙相对较大的缺点[16,17]. 光谱极限最大效率(SLME)计算表明, 基于带隙高于2 eV[18]的双钙钛矿材料Cs2AgBiBr6的PSC的潜在光电转换效率(PCE)仅为8%[19], 带隙更大的Cs2AgBiCl6也面临着同样的问题. 而基于Cs2AgBiI6单结太阳能电池结构的理论PCE为23.71%[20,21], 远高于Cs2AgBiX6 (X = Br, Cl)太阳能电池效率, 这是因为Cs2AgBiI6具有比Cs2AgBiCl6和Cs2AgBiBr6更加合适的带隙(1.6 eV)[22]和更高的光吸收率, 但与有机铅基钙钛矿太阳能电池相比仍缺乏竞争力. 据调查所知, 所选择的双钙钛矿型卤化物Cs2AgBiI6的新型电池结构的理论研究尚未报道. 尽管当前实际效率较低, 但模拟结果表明, 通过优化光吸收层厚度、界面特性和掺杂浓度, Cs2AgBiI6的理论效率可超过25%. 因此, 有必要利用通过仿真模拟计算研究来Cs2AgBiI6的电池潜能.
为了进一步提高电池效率, 最近提出的使电池能级更加匹配的创新型双空穴传输层结构可能是一种好方法[23,24]. 例如, 根据Yoon等[25]的研究, 通过由CuI和MoO3组成双空穴传输层的有机P3HT:PCBM体异质结器件的光电性能得到了改善. 这是由于双空穴传输层充当电子势垒层, 可以更好地阻挡光生电子进入空穴传输层(HTL), 加速光生空穴的传输, 并且更好的电荷提取和减少器件界面处的复合也将显著地提高PSC器件的性能. 除此之外, Chen等[26]通过研究发现, 优化载流子迁移率平衡可以有效地改善钙钛矿太阳能电池的特性, 其中具有PC70BM/C70双电子传输层和PEDOT:PSS/PTB7双空穴传输层的钙钛矿器件表现出0.90的最佳载流子迁移率平衡比(μh/μe), 并将钙钛矿太阳能电池的光电转化效率(PCE)提高到14.11%.
最近, Dahal等[27]在以甲基铵碘化铅(MAPbI3)作为光吸收层、SnO2作为电子传输层、铜锌锡硫化物(CZTS)和Spiro-OMeTAD作为双空穴传输层的太阳能电池器件中获得了令人鼓舞的23.47%的理论效率. 然而, 传统的有机空穴传输层材料Spiro-OMeTAD价格昂贵, 还存在稳定性不足[28]和低迁移率[29]的缺点. 因此有必要进一步分析其他空穴传输层材料, 尤其是稳定更好的无机材料[30,31]在Cs2AgBiI6双空穴传输层太阳能电池中的性能. 本文首先研究了不同单空穴传输层Cs2AgBiI6太阳能电池的性能, 然后选择不同双空穴传输层组合, 分析了Cs2AgBiI6双空穴传输层太阳能电池器件性能发生改变的物理机制. 同时, 由于电池各层材料的厚度对器件效率的影响, 重点优化了以无机材料Cu2O和高度稳定的铜锌锡硫化物(CZTS)[32]作为双空穴传输层的Cs2AgBiI6太阳能电池, CZTS的作用是促进电荷的分离和传输, 其高导电性和良好的能级匹配有助于有效传输空穴, 同时抑制电子回流. 最终光电转换效率提升至25.62%.
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本文在Silvaco ATLAS仿真平台上对钙钛矿太阳能电池器件进行了建模和优化. 通过将器件划分网格, 并用数值模拟求解了半导体内电子/空穴泊松方程、连续性方程和输运方程.
泊松方程:
连续性方程:
漂移扩散方程:
其中
$ {J}_{n} $ 和$ {J}_{p} $ 分别为电子和空穴电流密度;$ {D}_{n} $ 和$ {D}_{p} $ 分别为电子和空穴扩散系数;$ {\mu }_{n} $ 和$ {\mu }_{p} $ 分别为电子和空穴迁移率; φ为电势;$ n $ 和$ p $ 分别为电子和空穴浓度;$ \varepsilon $ 为介电常数;$ q $ 为电子的电荷;$ G $ 为载流子生成率;$ R $ 为载流子复合率.采用Maxtrap法作为迭代方法求解收敛问题, 以提取器件的光伏参数. Hossain等[33]研究了大约96种基于Cs2AgBiI6的太阳能电池结构组合, 确定了8种最有效的太阳能电池结构, 并发现与其他电子传输层材料相比, ZnO和光吸收材料Cs2AgBiI6之间的适当能带排列导致了更好的输出特性. 因此本文的重点是对双空穴传输层的研究, 基于Cs2AgBiI6的单空穴传输层PSC结构: FTO/ZnO/Cs2BiAgI6/HTL/Au, 如图1(a)所示, 双空穴传输层PSC结构: FTO/ZnO/Cs2BiAgI6/HTL1/HTL2/Au, 如图1(b)所示. 太阳能电池各层材料的参数均列于表1中, 来源于文献[27,33,34]. 在实验中, 入射光源采用标准AM1.5G光谱, 光功率密度为1000 mW/m2, 初始温度为300 K.
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为了对不同电池结构进行比较, 首先对基于Cs2AgBiI6的单空穴传输层太阳能电池结构进行了建模和研究, 该结构由FTO、电子传输层ZnO(50 nm)、光吸收层Cs2AgBiI6(800 nm)、空穴传输层HTL和金属电极Au组成. HTL分别采用Cu2O, MoO3, CZTS, Spiro-OMTAD (Spiro), P3HT, NiO和Si. J-V特性曲线如图2所示, 开路电压(VOC)、短路电流密度(JSC)、光电转化效率(PCE)和填充因子(FF)输出参数如表2所列. 结果表明, 以Cu2O为空穴传输层的PSC具有最高的光电转换效率, 而以Si为空穴传输层的PSC的效率相对较低.
然后, 选择不同组合的两种空穴传输材料对基于Cs2AgBiI6的太阳能电池结构进行研究. 电子传输层(ETL)仍然使用ZnO, 空穴传输层(HTLs)组合分别使用Cu2O/NiO, NiO/Si, MoO3/Spiro和MoO3/Cu2O. Si材料具有较高的空穴迁移率和稳定性, NiO与Si复合构成双空穴传输层可以有效地改善载流子传输效率, 且实际生产中可通过激光晶化微晶硅薄膜等技术制备.
图3显示了这四种双空穴传输层PSC的J-V特性曲线, 表3列出了它们的输出参数. 结果表明, 采用Cu2O/NiO和NiO/Si作为双空穴传输层的太阳能电池的光电转换效率分别为21.39%和20.71%, 高于各单空穴传输层太阳能电池的21.17%和20.64%的光电转换效率. 然而对于MoO3/Spiro和MoO3/Cu2O作为双空穴传输层的太阳能电池, 与各单空穴传输层的太阳能电池相比, 光电转换效率略有降低. 在四种类型的双空穴传输层太阳能电池中, Cu2O/NiO双空穴传输层太阳能电池的光电转换效率最高, 为21.39%.
为进一步研究双空穴传输层引起电池性能变化的潜在物理机制, 分析了这些PSC内部的电场分布和复合率. 图4(a)—(d)分别显示了Cu2O/NiO、 NiO/Si、MoO3/Spiro和MoO3/Cu2O四种钙钛矿太阳能电池的双空穴传输层的电场示意图. 与Biplov-Dahal在钙钛矿层和空穴传输层之间界面上观察到的现象一样, 一个非常小的负电场峰促进空穴载流子从钙钛矿层转移到空穴传输层. 同时, 与单空穴传输层太阳能电池相比, 在Cu2O/NiO和NiO/Si两个双空穴传输层结构的材料界面处观察到明显更大的负电场峰, 这更有利于光吸收层产生的电子载流子和空穴载流子的分离, 促进空穴载流子从光吸收层传输到空穴传输层. 尽管在MoO3/Cu2O和MoO3/Spiro双空穴传输层的界面处也会产生负电场, 但与原来的单空穴传输层太阳能电池相比, 钙钛矿光吸收层和空穴传输层之间的界面处的负电场反而显著降低了, 这影响了空穴载流子从光吸收层到空穴传输层的转移, 使得电池效率降低.
图5(a)—(d)分别显示了Cu2O/NiO、NiO/Si、MoO3/Spiro和MoO3/Cu2O四种钙钛矿太阳能电池的双空穴传输层复合率. 如图5(a)和图5(b)所示, Cu2O/NiO太阳能电池的空穴传输层复合率在材料界面处仅略有增加, 而其余部分的幅度显著降低; 对于NiO/Si太阳能电池, 双空穴传输层的复合率均降低; 然而, 如图5(c)和图5(d)所示, 与单空穴传输层太阳能电池相比, MoO3/Cu2O和MoO3/Spiro太阳能电池的复合率显著提高. 因此, Cu2O/NiO和NiO/Si作为双空穴传输层的太阳能电池的光电转换效率高于采用原单空穴传输层结构的太阳能电池, 而MoO3/Spiro和MoO3/Cu2O结构的太阳能电池性能反而降低.
如图6(a)和图6(b)所示, 在NiO/Si和Cu2O/NiO双空穴传输层界面处能带形成一个向下的谷, 能级相差值减小, 两者都形成了空穴从钙钛矿转移到HTL的有利势垒. 这提高了传输层的载流子提取能力, 能级匹配更好, 从而获得更好的效率. 图6中VBO代表价带结构, CBO代表导带结构.
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Dahal等[27]在基于甲基铵碘化铅作为光吸收层研究的所有双空穴传输层组合中, Spiro/CZTS双空穴传输层界面处的负电场峰值最高, 并得到了PSC效率提高的结论, 表明这种双空穴传输层组合使电荷分离增强和复合减少的效果最好. 因此, 对于基于Cs2AgBiI6的太阳能电池的数十种可能的双HTL组合, 进一步研究了两种基于Cs2AgBiI6作为光吸收层HTL/CZTS的结构: MoO3/CZTS和Cu2O/CZTS. 模拟得到的J-V特性曲线如图7所示, 输出参数如表4所列. 结果表明, MoO3/CZTS和Cu2O/CZTS结构的太阳能电池的光电转换效率均高于Spiro/CZTS结构. 在三种HTL/CZTS结构中, Cu2O/CZTS双空穴传输层PSC的输出效率最高, 为22.85%.
对这些太阳能电池内部的电场分布和复合率也进行了分析. 从图8(a)—(c)电场图可以看出, 相比单空穴传输层结构, Spiro/CZTS, Cu2O/CZTS和MoO3/CZTS双空穴传输层太阳能电池在两个空穴传输层界面处都产生了负电场, 更有利于将光吸收层产生的空穴载流子转移到空穴传输层. 然而, 只有Cu2O/CZTS和MoO3/CZTS结构在光吸收层和空穴传输层间的界面处产生负电场, 而Spiro/CZTS结构则没有. 因此, Spiro/CZTS结构的太阳能电池提取空穴载流子的能力低于Cu2O/CZTS和MoO3/CZTS结构的太阳能电池. 如图8(d)—(f)所示, 与各种单空穴传输层太阳能电池相比, Spiro/CZTS, Cu2O/CZTS和MoO3/CZTS三种结构的太阳能电池复合率均降低, 其中Cu2O/CMTS太阳能电池的复合率数量级最低.
同时如图9所示, 在Cu2O/CZTS双空穴传输层界面处能带也有向下形成谷的趋势, 能级相差值减小, 势垒更有利于空穴载流子的传输, 能带匹配更能确保有效的载流子注入和传输. 这也解释了Cu2O/CZTS结构获得更好的效率的原因.
然后, 为了实现Cu2O/CZTS双空穴传输层太阳能电池的最大输出效率, 调整每层材料的厚度以提高光生载流子的传输速率, 从而增加总短路电流密度. 首先使用单因素优化法研究了ZnO, Cs2AgBiI6, Cu2O和CZTS的厚度对太阳能电池输出参数和性能的影响, 结果如图10所示.
从图10(a)可以看出电子传输层ZnO在10—100 nm的范围内, 随着厚度的增加, 太阳能电池效率先增加后降低. 这是因为当电子传输层相对较厚时, 它会增强电荷复合, 导致效率降低. 在50 nm的厚度下, 太阳能电池的光电转换效率达到最大值为22.85%; 同时, 如图10(b)和图10(c)所示, 光吸收层Cs2AgBiI6和空穴传输层CZTS分别在100—1200 nm和10—180 nm的范围内, 太阳能电池效率随厚度的增加呈上升趋势. 当Cs2AgBiI6和CZTS的厚度分别为900 nm和160 nm时, 太阳能电池光电转换效率达到最大值, 分别为24.13%和25.05%; 最后, 如图10(d)所示, 空穴传输层Cu2O在50—300 nm的范围内, 随着厚度的增加, 太阳能电池的效率先增加后降低. 在150 nm的厚度下, 太阳能电池的效率达到最大值24.42%.
在获得各层的最佳厚度范围后, 进一步采用 正交实验法进行分析, 结果如表5所列. 综上所述, 当ZnO, Cs2AgBiI6, CZTS和Cu2O的厚度分别为40 nm, 850 nm, 150 nm和140 nm时, Cu2O/CZTS双HTL太阳能电池达到最高效率为25.62%(JSC = 28.31 mA/cm2, VOC = 1.1 V, FF = 82.05%, PCE = 25.62%). 优化后的太阳能电池的J -V特性曲线如图11所示.
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研究了Cu2O/CZTS太阳能电池双空穴传输层的掺杂浓度对性能的影响, 如图12所示. 为了找到最佳浓度, Cu2O层和CZTS层的浓度均从1012 cm–3变化到1020 cm–3. 掺杂浓度决定了界面电场强度, 从而影响电荷分离效率. 从图12可看出, 开路电压随着CZTS层掺杂浓度增加而增加, Cu2O浓度对开路电压的影响很小. 当CZTS层的浓度恒定时, 双空穴传输层太阳能电池的短路电流密度随着Cu2O层掺杂浓度的降低而降低. 当Cu2O浓度恒定时, 适当增加CZTS层掺杂浓度可以提高PSC的短路电流密度. 性能的变化趋势与短路电流密度相似. 我们发现, 当Cu2O层掺杂浓度为1018 cm–3, CZTS层掺杂浓度为1018 cm–3时, 太阳能电池的PCE显示最大值.
分析了迁移率对Cs2AgBiI6电池的影响, 如图13所示, 随着空穴传输层的空穴迁移率提高, 开路电压显现出下降的趋势, 但变化趋势很小, 而太阳能电池的效率和短路电流密度均大幅提高, 可见空穴迁移率的提高, 提升了电荷传输效率, 不仅提高了电池的输出效率, 还直接决定了填充因子的高低. 当空穴迁移率超过10–2 cm2/(V·s)时, 电池效率趋于稳定值, 但当空穴迁移率低于10–5 cm2/(V·s)时, 电池输出性能会急剧下降.
同时, 为了更好地了解不同双空穴传输层组合的太阳能电池在较高温度下的性能, 这对实际应用尤为重要, 测量了电池器件在300—400 K温度范围内的性能变化. 如图14(a)所示, 所有太阳能电池器件的开路电压(VOC)都随着温度的升高而显著降低. VOC的减少归因于饱和电流的增加, 这是由于固有载流子浓度随着温度的升高而变化, 从而导致更高的复合速率. 此外, 温度升高对所有PSC的短路电流密度(JSC)的影响可以忽略不计(图14(b)). 图14(c)和图14(d)则表明, 除了使用MoO3/CZTS双HTL的电池器件的PCE和FF在达到320 K的温度之前略有增加外, 其他都有所下降.
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本文在Silvaco ATLAS模拟平台上分析了具有双空穴传输层的Cs2AgBiI6钙钛矿太阳能电池的性能. 结果表明, Cu2O/NiO和NiO/Si双空穴传输层结构可以降低载流子复合率, 有效地提高短路电流密度和光伏器件的光电性能. 采用单元素优化方法对Cu2O/CZTS双空穴传输层太阳能电池中每层材料的厚度进行了优化, 并采用正交实验进行了进一步优化. 当ZnO, Cs2AgBiI6, Cu2O和CZTS的厚度分别为40 nm, 850 nm, 140 nm和150 nm时, 双空穴传输层太阳能电池的光电转换效率提升到了25.62%. 这项工作促进了未来太阳能电池器件的优化和光伏性能的提高, 旨在为实现高效无铅无机钙钛矿太阳能电池提供参考.
Cs2AgBiI6双空穴传输层太阳能电池的分析与优化
Theoretical analysis and performance optimization of Cs2AgBiI6 solar cells with dual hole transport layers
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摘要: 双钙钛矿材料以其低成本、环境友好等优势在太阳能电池领域引起广泛关注. 本研究在已报道的ITO/ZnO/Cs2AgBiI6/HTL/Au单空穴传输层太阳能电池结构基础上, 提出了ITO/ZnO/Cs2AgBiI6/HTL1/HTL2/Au的双空穴传输层结构, 并使用Silvaco TCAD进一步分析了基于Cs2AgBiI6的双空穴传输层太阳能电池的内部物理机制. 结果表明, 与各单空穴传输层钙钛矿太阳能电池相比, 使用Cu2O/NiO和NiO/Si作为双空穴传输层的太阳能电池效率有所提高. 与Spiro-OMeTAD/CZTS双空穴传输层太阳能电池相比, 使用Cu2O/CZTS和MoO3/CZTS作为双空穴传输层的效率也有所提高. 其中, 性能最好的Cu2O/CZTS双空穴传输层太阳能电池效率为22.85%. 经过钙钛矿层和传输层的厚度优化后, 光电转换效率提升至25.62%. 此外, 模拟结果还揭示了温度和掺杂浓度对太阳能电池特性的影响. 这将有利于在无铅、无毒、环保的基础上, 为双钙钛矿太阳能电池的能效提高提供理论指导.Abstract: Double perovskite materials have received significant attention in the photovoltaic field due to their low cost, environmental friendliness, and lead-free composition, which make them ideal candidates for next-generation solar cell applications. In this work, the photovoltaic performance of solar cells using Cs2AgBiI6 as the light-absorbing layer is systematically investigated through simulations using Silvaco ATLAS software. Based on the previously reported single hole transport layer device architecture, namely ITO/ZnO/Cs2AgBiI6/HTL/Au, a new dual hole transport layer structure ITO/ZnO/Cs2AgBiI6/HTL1/HTL2/Au is proposed. Different dual hole transport layer combinations are explored, and their influence on the internal physical mechanism and the device performance are analyzed and optimized in detail. The simulation results show that the devices using Cu2O/NiO and NiO/Si respectively as dual hole transport layer significantly improve charge extraction and generate a negative electric field at the interface, thereby reducing recombination losse and accelerating the transport of hole carriers. These two configurations exhibit substantially higher efficiencies than those configurations with a single hole transport layer, confirming the advantages of the dual hole transport layer structure. Additionally, devices using Cu2O/CZTS and MoO3/CZTS as dual hole transport layer show better performance than the reference structure using Spiro-OMeTAD/CZTS, indicating the potential for further improvement by optimizing material selection and layer properties. Of the various dual hole transport layer combinations tested, the structure utilizing Cu2O/CZTS achieves the highest simulated power conversion efficiency (PCE) of 22.85%. By optimizing the thickness of each functional layer, the efficiency can be further increased to 25.62%, and the optimal layer thickness is determined to be 40 nm for ZnO, 850 nm for Cs2AgBiI6, 140 nm for Cu2O, and 150 nm for CZTS. Furthermore, the effects of environmental and material parameters, such as temperature and hole transport layer doping concentration, on device performance are investigated. This study lays a theoretical foundation for the design and enhancement of double perovskite solar cells. By demonstrating the potential that the dual hole transport layer structures can significantly improve device efficiency, their value in advancing environmentally friendly and lead-free photovoltaic technologies becomes very prominent. The insights gained from this research pave the way for developing high-performance double perovskite solar cells with optimized architectures and material properties.
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图 1 (a) Cs2AgBiI6单HTL钙钛矿太阳能电池; (b) Cs2AgBiI6双HTL钙钛矿太阳电池结构
Figure 1. Device structure of (a) Cs2AgBiI6-based single HTL perovskite solar cell and (b) Cs2AgBiI6-based dual HTLs perovskite solar cell.
图 2 基于Cs2AgBiI6的不同单空穴传输层太阳能电池的J-V参数曲线
Figure 2. J-V parameter curves for different single HTL solar cells based on Cs2AgBiI6.
图 3 基于Cs2AgBiI6的不同双空穴传输层太阳能电池的J-V参数曲线
Figure 3. J-V parameter curves for different dual HTLs solar cells based on Cs2AgBiI6.
图 4 具有不同双空穴传输层的Cs2AgBiI6太阳能电池界面电场 (a) Cu2O/NiO; (b) NiO/Si; (c) MoO3/Cu2O; (d) MoO3/Spiro
Figure 4. Electric fields at the interfaces of Cs2AgBiI6 PSCs with different HTL combinations: (a) Cu2O/NiO; (b) NiO/Si; (c) MoO3/Cu2O; (d) MoO3/Spiro.
图 5 具有不同双空穴传输层的Cs2AgBiI6太阳能电池复合率 (a) Cu2O/NiO; (b) NiO/Si; (c) MoO3/Cu2O, (d) MoO3/Spiro
Figure 5. Charge recombination rate of Cs2AgBiI6 PSCs with different HTL combinations: (a) Cu2O/NiO; (b) NiO/Si; (c) MoO3/Cu2O; (d) MoO3/Spiro.
图 6 具有不同双空穴传输层的Cs2AgBiI6太阳能电池的能带图 (a) NiO/Si; (b) Cu2O/NiO.
Figure 6. Energy band diagram of Cs2AgBiI6 PSCs with different HTL combinations: (a) NiO/Si; (b) Cu2O/NiO.
图 7 基于Cs2AgBiI6的不同HTL/CZTS双空穴传输层太阳能电池的J-V参数曲线
Figure 7. J-V parameter curves for different HTL/CZTS solar cells based on Cs2AgBiI6.
图 8 Cs2AgBiI6太阳能电池中(a) Spiro/CZTS, (b) MoO3/CZTS, (c) Cu2O/CZTS双空穴传输层界面上的电场, 以及(d) Spiro/CZTS, (e) MoO3/CZTS, (f) Cu2O/CZTS双空穴传输层的复合率
Figure 8. Electric fields at the interfaces of Cs2AgBiI6 PSCs with different HTL combinations: (a) Spiro/CZTS; (b) MoO3/CZTS; (c) Cu2O/CZTS. Charge recombination dynamics of Cs2AgBiI6 PSCs with different HTL combinations: (d) Spiro/CZTS; (e) MoO3/ CZTS; (f) Cu2O/CZTS.
图 9 Cu2O/CZTS双空穴传输层Cs2AgBiI6太阳能电池的能带图
Figure 9. Energy band diagram of Cs2AgBiI6 solar cell with Cu2O/CZTS dual hole transport layer.
图 10 (a)电子传输层ZnO、(b)钙钛矿层Cs2AgBiI6、双空穴传输层(c) CZTS和(d) Cu2O厚度对钙钛矿太阳能电池VOC, JSC, FF和PCE的影响
Figure 10. Effects of thicknesses of (a) electron transport layer ZnO, (b) perovskite layer Cs2AgBiI6, (c) hole transport layer Ⅰ CZTS, (d) hole transport layer Ⅱ Cu2O on VOC, JSC, FF and PCE of dual HTLs perovskite solar cell.
图 11 基于Cs2AgBiI6的Cu2O/CZTS钙钛矿太阳能电池优化前后J-V参数曲线
Figure 11. J-V parameter curves before and after optimization of Cu2O/CZTS dual HTLs perovskite solar cell based on Cs2AgBiI6.
图 12 空穴传输层CZTS和Cu2O浓度对Cs2AgBiI6钙钛矿太阳能电池的(a) JSC, (b) VOC, (c) PCE和(d) FF的影响
Figure 12. Effects of the concentrations of the CZTS and Cu2O on (a) JSC, (b) VOC, (c) PCE and (d) FF of the Cs2AgBiI6 perovskite solar cell.
图 13 电池输出参数随HTL空穴迁移率的变化
Figure 13. Variations of solar cell output parameters with HTL hole mobility.
图 14 温度对Cs2AgBiI6钙钛矿太阳能电池的(a)VOC, (b) JSC, (c) PCE和(d)FF的影响
Figure 14. Effects of the temperature on (a) JSC, (b) VOC, (c) PCE and (d) FF of the Cs2AgBiI6 perovskite solar cell.
表 1 太阳能电池不同层材料的参数
Table 1. Device parameters for different layers of the cells.
Parameter ZnO Cs2AgBiI6 Cu2O MoO3 CZTS Spiro-OMeTAD NiO P3HT Si Thickness/nm 50 800 50 50 100 200 100 50 50 Permittivity εr 9 6.5 7.5 12.5 9 3 10.7 3 11.9 Band gap/eV 3.3 1.6 2.17 3 1.4 2.2 3.8 1.7 1.12 Affinity/eV 4 3.9 3.2 2.5 3.8 3 1.46 3.5 4.17 NC/(1018 cm–3) 3.7 10.0 2.0 2.2 2.2 2.2 28.0 2000.0 250.0 NV/(1018 cm–3) 18.0 10.0 11.0 18.0 1.8 250.0 10.0 2000.0 180.0 ND(1018 cm–3) 1 0 0 0 0 0 0 0 0 NA/(1015 cm–3) 0 1 1000 1000 10000 1000 1000 1000 10 μn/(cm2·V–1·s–1) 100 2 200 25 100 2×10–4 12 1.8×10–3 1500 μp/(cm2·V–1·s–1) 25 2 80 100 12.5 2×10–4 2.8 1.86×10–2 480 
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表 2 不同单空穴传输层电池的输出参数
Table 2. Performance parameters of PSCs with various HTLs.
电池结构 VOC/V JSC/(mA·cm–2) PCE/% FF/% FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/Cu2O/Au 1.096 23.02 21.17 83.91 FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/MoO3/Au 1.097 23.01 21.16 83.83 FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/CZTS/Au 1.088 22.07 20.00 83.29 FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/Spiro/Au 1.095 23.08 20.14 79.69 FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/NiO/Au 1.095 23.00 20.64 82.10 FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/P3HT/Au 1.070 23.04 17.91 72.65 FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/Si/Au 1.055 22.00 17.18 74.02 ITO/ZnO/Cs2AgBiI6/Spiro/Au[34] 1.08 24.20 21.72 83.14 ITO/ZnO/Cs2AgBiI6/Spiro/Au[33] 1.08 23.74 20.31 79.28
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表 3 不同双空穴传输层电池的输出参数
Table 3. Performance parameters of PSCs with dual HTLs.
Device structures VOC/V JSC/(mA·cm–2) PCE/% FF/% FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/Cu2O/NiO/Au 1.098 23.19 21.39 83.46 FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/NiO/Si/Au 1.093 23.05 20.71 82.21 FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/MoO3/Cu2O/Au 1.097 22.9 21.13 83.44 FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/MoO3/Spiro/Au 1.097 23.96 21.12 83.77
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表 4 不同HTL/CZTS双空穴传输层电池的输出参数
Table 4. Performance parameters of PSCs with HTL/CZTS.
Device structures VOC/V JSC/(mA·cm–2) PCE/% FF/% FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/Spiro/CZTS/Au 1.1 24.73 22.62 83.15 FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/Cu2O/CZTS/Au 1.1 24.89 22.85 83.46 FTO/ZnO/Cs2AgBiI6/MoO3/CZTS/Au 1.1 24.83 22.79 83.44
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表 5 正交实验中Cu2O和CZTS作为HTL的太阳能电池性能参数
Table 5. Performance parameters of PSCs with Cu2O and CZTS as HTL in orthogonal experiments.
Experiment No. Thickness/nm VOC/V JSC/(mA·cm–2) PCE/% FF/% ZnO Cs2AgBiI6 CZTS Cu2O 1 40 850 150 140 1.103 28.31 25.62 82.05 2 40 900 170 150 1.100 28.36 25.46 81.61 3 40 950 160 160 1.098 28.37 25.25 81.06 4 50 850 170 160 1.102 27.92 25.26 82.10 5 50 900 160 140 1.101 28.10 25.21 81.49 6 50 950 150 150 1.098 28.09 25.01 81.09 7 60 850 160 150 1.103 27.80 25.15 82.02 8 60 900 150 160 1.100 27.56 24.75 81.64 9 60 950 170 140 1.098 28.30 25.15 80.94
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