界面工程设计的全无机钙钛矿太阳能电池：对WS?钝化层和CuFeO空穴传输层的数值分析

全无机钙钛矿太阳能电池通过引入WS?界面层和CuFeO?空穴传输层，有效降低界面复合，改善能带对齐与载流子传输，使器件效率达33.60%。

　　

B. Jothika | R. Uma Bharathy | Govindaraj Rajamanickam

印度泰米尔纳德邦金奈Kalavakkam市Sri Sivasubramaniya Nadar工程学院SSN研究中心物理系，邮编603110

摘要

全无机钙钛矿太阳能电池（PSCs）已成为稳定且可持续的光伏技术的有希望的候选者；然而，其性能常常受到界面复合和电荷提取效率低下的限制。在这项工作中，我们使用SCAPS-1D模拟框架系统地研究了一种采用FTO/TiO₂/CsPbI₃/WS₂/CuFeO₂/Au结构的全无机PSC。在CsPbI₃吸收层和delafossite CuFeO₂空穴传输层（HTL）之间引入了二硫化钨（WS₂作为界面修饰层，以改善能带对齐，减少界面陷阱辅助的复合，并提高载流子选择性。通过能带图、复合剖面和光伏性能参数详细分析了WS₂对能带对齐、复合行为和载流子传输的影响。WS₂的加入显著降低了界面复合，并改善了吸收层/HTL界面处的空穴提取。结果，优化后的器件在标准光照条件下的功率转换效率达到了33.60%，开路电压（V_OC）为1.07 V，短路电流（J_SC）为35.04 mA cm^?2，填充因子为88.84%。这种性能的提升归因于WS₂诱导的界面钝化作用以及CuFeO₂ HTL的高空穴迁移率，这两者共同促进了高效的电荷分离和传输。

引言

钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其显著的功率转换效率（PCE）、低制造成本和可调的光电特性，已成为最有前景的下一代光伏技术之一。[1],[2],[3],[4],[5] 自2009年问世以来，PSCs的效率从最初的3.8%迅速提升，不到二十年内就达到了超过26%的认证效率。[6],[7],[8],[9],[10] 尽管取得了这些成就，但有机-无机杂化钙钛矿的长期稳定性仍然是一个关键瓶颈，主要是由于有机阳离子（如甲铵（MA⁺）和甲酰胺基（FA⁺）的挥发性和吸湿性。[11] 这些有机成分在热、湿气和紫外线（UV）的作用下容易分解，导致不可逆的相变和器件性能严重退化。[12],[13]

近年来，人们投入了大量努力研究全无机钙钛矿，特别是基于铯的化合物，以克服这些稳定性限制。[14],[15] 其中，铯铅碘化物（CsPbI₃）因其合适的带隙（约1.7 eV）、高吸收系数、长的载流子扩散长度和良好的热稳定性而受到广泛关注。[16],[17] 最近的研究表明，通过成分工程、应变调控和界面控制可以稳定光活性α-CsPbI₃的相结构，使其效率与杂化钙钛矿相媲美，并提高了操作稳定性。[18],[19] 此外，其全无机性质使其具有比杂化钙钛矿更高的热稳定性和环境稳定性，因为不含挥发性有机阳离子。[20],[21] 从基础原理的角度来看，基于声子色散分析的最新第一性原理研究表明，CsPbI₃的黑相在受限条件下表现出动态稳定性，进一步支持了其在光伏应用中的适用性。[22],[23]

选择合适的空穴传输层（HTL）对于优化电荷提取和整体器件性能同样重要。[24],[25] 常见的有机HTL如Spiro-OMeTAD、PTAA和PEDOT: PSS虽然高效，但存在许多缺点，包括热稳定性差、掺杂剂诱导的退化、材料成本高和可扩展性有限。[26],[27] 这些缺点促使人们寻找稳定、经济且与全无机钙钛矿兼容的无机HTL替代品。[28] 在无机候选材料中，delafossite型氧化物（如CuFeO₂、CuCrO₂和CuGaO₂）因其p型导电性、高透明度和环境稳定性而受到越来越多的关注。[29],[30] 特别是CuFeO₂，作为一种天然丰富的环境友好型p型半导体，显示出作为稳健HTL材料的潜力。[31] 它具有较高的功函数（约5.0 eV），有助于在钙钛矿界面形成强内建电势，从而增强电荷分离和开路电压（V_oc）。[32] 使用CuFeO₂还消除了对吸湿性掺杂剂的需求，进一步提高了器件的稳定性并简化了制造工艺。[33]

在钙钛矿太阳能电池中，吸收层和电荷传输层（CTLs）之间的界面对于决定整体性能和稳定性起着决定性作用。[34] 这些结点处的能带对齐不完美和高缺陷密度往往会导致载流子积累、非辐射复合和开路电压（V_oc降低。[35] 钙钛矿光伏技术的最新进展也强调了界面工程在抑制非辐射复合和提高填充因子及开路电压方面的关键作用。过渡金属硫属化物（TMDs）如MoS₂、WS₂和WSe₂因其可调的电子结构、高的载流子迁移率和优异的化学稳定性以及与钙钛矿薄膜的兼容性而受到关注。[36],[37],[38] 二硫化钨（WS₂，也称为tungstenite）为光伏应用提供了理想的特性组合。[39] WS₂具有层状六方结构，层间具有强共价键合和弱的范德华相互作用，便于与钙钛矿层集成。[40] 它具有适中的带隙（约1.3–2.1 eV）和有利的导带和价带位置，适合作为界面缓冲层以增强电荷分离并降低界面陷阱密度。[41> 当WS₂被引入钙钛矿吸收层和空穴传输层（HTL）之间时，它可以作为电子阻挡层和空穴传导层，改善能级匹配并减少复合损失。[42] 此外，WS₂的高热稳定性和化学稳定性提高了器件在运行应力下的耐用性。[43],[44]

CsPbI₃太阳能电池的实际性能仍受相不稳定、界面缺陷介导的复合以及吸收层/传输层界面处电荷提取效率低下的限制。最近的研究表明，界面工程和使用无机电荷传输层对于充分发挥CsPbI₃基器件的潜力至关重要。本研究介绍了一种新的CsPbI₃/WS₂/CuFeO₂结构，其中二维WS₂界面层用于钝化界面缺陷并改善能带对齐，而delafossite CuFeO₂作为无掺杂、地球丰富且热稳定的空穴传输层。据我们所知，之前尚未有系统地使用CuFeO₂作为HTL对CsPbI₃太阳能电池中的WS₂辅助界面工程进行数值研究。因此，本研究为下一代全无机钙钛矿太阳能电池的界面驱动性能提升策略提供了新的见解。[45],[46] 这种组合减少了载流子复合，增强了内建电势，并提高了整体器件效率和稳定性。

在这种情况下，数值模拟是一种强大的工具，可以在实验实现之前预测和优化新兴器件架构的性能。[47],[48] 比利时根特大学开发的太阳能电池电容模拟器（SCAPS-1D）已被广泛用于薄膜和钙钛矿太阳能电池的建模。[49],[50],[51] 在本研究中，我们使用SCAPS-1D模拟框架对全无机钙钛矿太阳能电池架构FTO/TiO₂/CsPbI₃/WS₂/CuFeO₂/Au进行了全面的数值研究。引入WS₂界面层和CuFeO₂ delafossite HTL旨在改善界面电荷传输和器件稳定性。模拟研究了吸收层厚度、缺陷密度和掺杂浓度对关键性能指标的影响，包括开路电压（V_oc）、短路电流密度（J_sc）、填充因子（FF）和PCE。优化后的器件配置实现了创纪录的34.41%的模拟PCE，超过了传统的全无机钙钛矿架构。

部分摘录

器件结构和模拟方法

所提出的全无机钙钛矿太阳能电池架构如图1所示，由FTO/TiO₂/CsPbI₃/WS₂/CuFeO₂/Au组成。FTO前接触层作为透明导电层，促进高效的电子收集。同时，TiO₂作为电子传输层（ETL），确保与CsPbI₃的适当能带对齐并减少复合损失。CsPbI₃吸收层具有约1.7 eV的直接带隙，提供强光吸收能力。

能带图

图2(a)和(b)分别展示了有无WS₂界面层的全无机钙钛矿太阳能电池的模拟能带图。图2(a)中的无WS₂结构采用FTO/TiO₂/CsPbI₃/CuFeO₂/Au配置。在这种器件中，CsPbI₃/CuFeO₂（钙钛矿/delafossite）界面处出现了明显的不连续性，导致不利的能带对齐和界面陷阱态的形成。

结论

在本研究中，我们使用SCAPS-1D数值模拟器系统地研究了FTO/TiO₂/CsPbI₃/WS₂/CuFeO₂/Au全无机钙钛矿太阳能电池结构。在CsPbI₃吸收层和CuFeO₂空穴传输层之间引入WS₂界面层有效减少了界面复合，改善了能带对齐，并提高了电荷提取效率。由地球丰富且化学稳定的元素组成的delafossite CuFeO₂ HTL有助于高效空穴传输。

CRediT作者贡献声明

B. Jothika：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据管理、概念化。R. Uma Bharathy：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据管理、概念化。Govindaraj Rajamanickam：撰写——审阅与编辑、可视化、监督。

利益冲突声明

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