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太阳能材料与太阳能电池

电子传输层平面钙钛矿太阳能电池：从设备仿真性能进一步增强的角度

摘要

设备建模基于CH3NH3PbI3xClx电子传输层平面钙钛矿的太阳能电池。仿真程序是scap(太阳能电池电容模拟器)。用适当的物理参数,高开路电压1.04 V接近模拟实验结果报道被成功实现。仿真结果显示PCE非常依赖钙钛矿层的厚度和缺陷密度。一个最佳的钙钛矿厚度被确认为约500纳米,它符合实际设备的厚度范围是派生的。同时,包括FTO/钙钛矿界面缺陷密度的掺杂浓度以及前FTO确定显著影响设备性能的参数。特别是,接口在FTO/钙钛矿质量接口对设备参数的影响大于在钙钛矿/ HTL接口,这表明更要注意前面FTO/钙钛矿接口进一步加强电子传输层装置的性能。适当的界面缺陷钝化减少界面缺陷密度的1015立方厘米是必要和急需的。最后，分析CH3NH3PbI3xClx电子和空穴迁移率和载流子扩散长度的影响，结果实验报告显示流动和扩散长度(1.0毫米)的大型和足够长的时间对应高效率。

第一章 绪论

钙钛矿太阳能电池记录，六年后效率超过22%的快速发展已经吸引研究团体的兴趣。

设备的进化经历了介孔结构,平面异质结结构,孔传输层结构和最近的电子传输层(ETL)无结构。事实上,使用高设备性能制备高质量的钙钛矿实例已经被广泛报道,进一步精心设计的设备配置,以充分利用钙钛矿材料的优点是高度预期并且应该是未来的研究方向。

电子传输层平面PSC是一种相对较新的结构和简单的太阳能电池,摆脱了电子传输层所需的复杂和高温(如紧凑型和介孔二氧化钛,SnO2，氧化锌等等)。最近记录电子传输层设备效率为14.14%。

尽管快速改善效率,运行机制的理解等设备的要求进一步改进是不够的。特别是,一方面,虽然已经被普遍的效率高归功于优秀的光学和电学性质如直接和合适的带隙,光吸收系数大,大的载流子迁移率和扩散长度,而如何以及在多大程度上用这些基本的光学和电子参数playroles太阳能电池正在等待进一步的了解。另一方面,特别是对新的结构化电子传输层平面已经被极大地简化了设备设计,几个问题(如:这是设备配置设计可以充分利用钙钛矿材料的优点?这些设备的效率极限是什么和如何处理效率?)必须为进一步发现性能的提高。让这个明确的数值模拟,作为一个非常有用的工具来解释各种参数对最终性能的基本作用,迫切需要。了解设备的物理和优化设计效率提高,模拟设备已广泛应用于无机太阳能电池,如硅、铜(,Ga)Se2和Cu2ZnSn(Se),(CZTSSe)。

众所周知,由于有机吸收器的小介电常数,大型Frenkel型激子的结合能必须考虑载波分离在太阳能电池为精确的设备建模,使设备模拟相当复杂。相比之下,钙钛矿材料中的激子的结合能Wannier型大约50兆电子伏,因此运营商可以与无机处理同样的方式,这使我们能够应用存在设备模拟器已经被广泛用于无机太阳能电池。事实上,最近已经生长的数值模拟,例如,刘等人使用普通太阳能电池仿真program-AMPS-1D,显示平面PSC的PCE依赖厚度、缺陷密度和电荷迁移的钙钛矿层。Minemoto等人进行设备建模CH3NH3PbI3xClx基础平面已经使用scap。同时,研究设备都有一个典型的平面异质结结构更复杂的设计,其中包括高能源消耗紧凑的二氧化钛电子传输层。

紧凑的二氧化钛层曾经被广泛认为是一个重要的组件的高效已经和消除紧凑的影响二氧化钛对设备性能需要进一步彻底检查,这是我们所关注的。这里的设备模拟器模拟太阳能电池的电容(scap版本。3.2.01)是用来模拟电子传输层。scap是1维模拟程序和计算能量组,浓度和电流特点,交流特点(C和G函数(V / f),光谱响应(QE)通过求解三个基本半导体方程(空穴和电子的连续性方程和泊松方程)的约束下边界条件。程序已被广泛用于设备建模的CdTe太阳能电池和仿真结果与实验结果有很好的一致性。最近,仿真的钙钛矿太阳能电池与scap软件逐渐浮出水面。

首先,确认该设备建模的有效性通过比较仿真结果与实际实验结果。最佳厚度的吸收剂,吸收器质量的影响(散装和界面缺陷密度,电子和空穴迁移率和载流子扩散长度),理想的钙钛矿晶体形态学实例和掺杂的影响FTO的全面检查。我们的工作配合等各功能层的角色视图对应的物理参数的电子传输层平面太阳能电池和建立最佳的钙钛矿材料参数可以帮助指明未来设备的优化方向,进一步提高性能。

第二章

设备结构和仿真参数在表1中,NA ND分别表示受体和施主密度,εr相对介电常数,chi;电子亲和能,例如带隙能量,mu;nmu;p电子迁移率和孔,Nt缺陷密度,数控和NV有效态密度的导带和价带。其他参数设置:电子和孔的热速度是1 107 cm / s。缺陷能级是如和缺陷类型的中心是中性的。能源能量分布是高斯分布,其特点是0.1 eV。电子俘获截面和洞是1014平方厘米。左和右接触功函数是4.4 eV(FTO)和5.1 eV(Au)。仿真都是1.5下的进行照明。图1显示的设备结构电子传输层 PSC的模拟。

设备由氟掺杂

二氧化锡(FTO)/钙钛矿吸收器/空穴传输层(HTL)/Au。材料参数设置对设备模拟是精心挑选的。同时,界面缺陷层(IDL)认为,考虑到界面复合和IDL1 IDL2(因为它们很薄,没有显示在图1)之间分别插入FTO /钙钛矿和钙钛矿/ HTL。

这使我们能够获得一个开路电压(Voc)(1.04 V)接近实验结果(1.06 V)[10]证明在某种程度上的值集的有效性描述所涉及的层。

第三章

结果与讨论图2给出了能带图(a),当前densityvoltage(jv)曲线(b),量子效率(QE)曲线(c)和奈奎斯特图(d)与表1中的参数计算。注意,每个功能层和界面的反射和额外的串联电阻引起的FTO或接触不考虑。从图2(a),钙钛矿层完全枯竭和大量内置3 V /mu;m电场是分别由高电子密度和孔的FTO和HTM掺杂浓度高。因此,已经被计算的假设下,表1是典型n-i-p结在实际设备配置，类似报告在文献[10]。

考虑到一个事实,即高掺杂浓度(ND)订的1019立方厘米的FTO非常接近(或超过)传导带的有效态密度(2.2数控1018立方厘米),简并条件很容易满足。因此FTO是典型的n型简并半导体。这导致仿真结果电子费米能级进入了F掺杂SnO2的导带(图2(a))。HTL,洞口费米能级进入价带(更准确的LUMO,最低未占据分子轨道)spiro-MeOTAD的掺杂浓度(NA)2 1018立方厘米靠近导带的有效态密度(NC)1.8 1019立方厘米。虽然两个接口的费米能级突变是由于大缺陷密度界面对体相。

在图2(b),模拟开路电压(Voc)的1.04 V是接近文献(1.06 V)[10],证明在一定程度上模拟的有效性。而较大的填充因子(FF)81.42%,短路电流密度(Jsc)22.63 mA / cm2相对于报道值(67%和19.76 mA / cm2)可以是由于我们的简化过程,每个层和界面的反射和额外的串联电阻引起的FTO或背部接触并不考虑如上所述。

顺利QE曲线在图2(c)是来自相同的前提。图2(d)显示了奈奎斯特图和等效电路的模拟设备。弧中高级频率主要归因于电荷传输阻力(Rct)FTO接触界面的钙钛矿层[9]。大界面接触电阻约kOmega;由于Voc的界面缺陷可能导致的损失,将会被讨论。PSC,光谱响应的设备是高度依赖于吸收层的厚度,进一步决定了设备的性能。

我们首先检查jv特征(图3(a))的设备作为CH3NH3PbI3xCl3厚度的函数。如图3中所描绘的一样(c)和图3(b)的插图,当厚度达到1毫米，Jsc增加钙钛矿层的厚度和浸透到高原(23.87 mA / cm2)。

高光电流(22.63 mA / cm2)获得中等厚度的450纳米,与报道值在相同厚度一致,主要是由于钙钛矿的高吸收系数实例[18]。经历Voc增加600纳米前略有下降,表明增加电荷复合厚的实例。

考虑Voc的趋势和FF不同钙钛矿厚度、500纳米的一个最佳钙钛矿厚度是共同敲定(图3(b)),这与报道实验结果是一致的。[10]。增强的Jsc随着厚度可以从量化宽松响应增强在长波长范围内所描述的图3(c),这表明进一步的厚度增加而降低的缺陷或适当的光管理提高长波长光响应可以进一步提高Jsc。在决定设备的性能中缺陷的数量在钙钛矿实例扮演关键角色,因为这一层产生的光电子和电荷复合行为可以成为占主导地位以确定Voc,Jsc,FF设备的PCE。

图4在钙钛矿中jv曲线和Voc散装陷阱密度的函数的实例。显然,缺陷的存在状态在钙钛矿实例所有光伏参数会导致相当大的下降。这是符合报告的高结晶度钙钛矿有助于减少钙钛矿中的陷阱密度,减少电荷复合,因此允许获得高性能[3]。

对钙钛矿的散装陷阱密度的具体影响实例在其他设备参数请参考支持信息的部分。

接口质量是对薄膜太阳能电池效率高另一个决定性的参数,决定了连接的整流特性。为了解决难以量化的界面缺陷密度和重组率实际设备,我们改变了界面缺陷密度显著的趋势界面质量的重要性。缺陷密度IDL1和IDL2改变了从1015到1019立方厘米。图5显示了jv曲线已经被不同的缺陷密度的FTO /钙钛矿和钙钛矿/ HTL接口装置,有两个相反的方向的入射光。

图5表明,缺陷密度在FTO /钙钛矿接口有很强的对效率的影响,和连接质量的改善导致超过21%的效率高。而不同的缺陷密度曲线在钙钛矿/ HTL界面几乎是类似的(图5(b))。图6进一步演示了设备参数不同的缺陷密度的FTO /钙钛矿和钙钛矿/ HTL接口。从这些数据可以清楚地看到,FTO的界面质量/钙钛矿接口对设备参数的影响大于在钙钛矿/ HTL接口。这种近对称设备结构(已经显示在图2,太阳能电池结构几乎是正反面对称)提出了一种不对称的效果。具体的原因,我们将在下面详细讨论和解释。这里我们总结直接正面结质量远比背面结质量更重要。

因此,更要注意前面FTO /钙钛矿接口进一步加强ETL-free装置的性能。

适当的界面修改和钝化可以是非常有效的,这将充分讨论。正如上面提到的,近对称设备结构提出了一种不对称的效果。我们推断不同之处在于不是因为性质不同的两个接口,而是因为太阳能电池暴露在光的方向。证实这个猜测,我们模拟的设备性能,光一侧从电极。这里必须指出,这是很难意识到在一个实际的设备由于可见光反射率电极。而在scap的仿真程序中,这很容易实现。scap程序,Au电极的基本参数是它的功函数和它不绝对,本质上是包含其他参数如带隙或光学吸收系数,等等。因此,Au电极可以看作是某种透明材料的功函数的紫外可见波长范围5.1 eV。

因此,理论上,我们可以讨论和模拟光的情况下从Au电极进入设备。仿真结果显示在图6(c和d)。给一个简单的对比,光从FTO一侧与当前的情况下,图5(a和b)放在一起,图6(c和d)重组。从图6和7,无论从哪一方光一侧中,前面的缺陷密度界面附近的辐射方面有更大影响设备的性能。这表明界面缺陷密度的影响的差异实际上源于光入射的方向的影响。

我们推测,这一现象可能是广泛的各类太阳能电池无关于它们的材料组成。事实上,缺陷密度的影响的差异源自计数器的可用性运营商重组[30]。图7(i)显示了归一化的近似分布photo generated运营商内部设备与光一侧从不同方面。估计除了钙钛矿不会考虑其他的光吸收层,105 / cm的光学吸收系数和采用的内部量子效率100%。

辐照装置时,电子和空穴对生成的数量对高表面和显著变小了,小向背面高吸收器的吸收系数。即多余的载体密度在光辐照身边远远高于后背。重组率是由多余的载体的数量密度因此界面缺陷的正面影响大于背面。换句话说,如果设备从背面辐射。即HTL一边,然后钙钛矿的缺陷密度/ HTL接口对太阳能电池参数有很强的影响。

界面特性的影响的平衡取决于电子和空穴扩散长度和光吸收系数。这个有趣的现象的存在也被Minemoto等人发现在他们最近的平面异质结结构的模拟设备与二氧化钛电子传输层[30]。因此,我们认为,这一现象主要源于自然结果不同光接收端效应的整个设备和设备水平效应是由于几乎对称的光学吸收当光一侧从不同的设备。

宽的带隙的存在与否二氧化钛电子传输层将有什么影响近对称的光学结构。因此,我们推断这可能是一个普遍的物理现象,可以发现在许多其他薄膜太阳能电池不管他们的特定的材料

钙钛矿的情况下太阳能电池的正面结质量远比背面结质量更重要。因此,更要注意前面FTO /钙钛矿接口进一步加强电子传输层，如上所述设备的性能。

高的效率已经被普遍认为由于绝大等特征与吸收系数高,直接带隙大的和平衡的电子和空穴迁移率以及长载体扩散长度在钙钛矿(18、20)。因此研究载流子迁移率的影响的程度和扩散长度的实际设备性能将重要意义,将有助于分析基本电子参数如何直接和定量在太阳能电池中扮演角色。

图8给出了jv曲线的函数CH3NH3PbI3xClx的电子和空穴迁移率。从图8(b)、FF和Jsc几乎保持不变,而Voc和载流子迁移率的增加很大程度上减少,最终导致减少电脑。这种趋势似乎与我们的直觉,一个大的载流子迁移率毫无疑问有利于设备的效率高。同样的趋势被周等人在他们最近的工作报告[38]。来解释这样的反常现象需要彻底了解每个组件的作用及其作为一个整体的影响。至于太大钙钛矿的载流子迁移率的趋势导致减少了设备性能,我们推断,它不是由钙钛矿本身,而是由不平衡钙钛矿和HTL空穴迁移率。大小的差异之间的流动钙钛矿(20厘米2 / V)和spiro-MeOTAD(2 104 cm2 / V(s)结果明显不同的频带传输机制的前高晶体和分子轨道间的跳跃传输机制的高度无序结构。

大的内建电场的3 V /mu;m钙钛矿层,照片生成孔将很快HTL以及积累在钙钛矿/ HTL接口由于有限的洞HTL对钙钛矿的运输能力。这些积累的运营商在钙钛矿/ HTL接口很容易遇到重组引起的界面陷阱。特别是,承运人重组将加剧(因此一个大暗电

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