利用自组装单分子层提升FAPbI3钙钛矿太阳能电池性能的研究

《RSC Advances》：Improving the performance of FAPbI3 perovskite solar cells using a self-assembled monolayer

　　

在卤化物钙钛矿太阳能电池中，电荷传输材料与钙钛矿之间的界面是决定器件光伏性能的关键因素。本项基于模拟的研究中，研究人员在前电极与钙钛矿层之间引入富勒烯分子作为中间层，旨在钝化表面缺陷并缓解因电极与钙钛矿直接接触引发的降解。通过一维太阳能电池电容模拟器（SCAPS-1D）计算，研究表明引入自组装单分子层能够降低复合损耗，促进载流子抽取，并改善钙钛矿太阳能电池的能带匹配。研究人员还通过调节钙钛矿层厚度、陷阱态密度、浅受主密度、寄生电阻及工作温度来评估电池性能，以优化光伏设计。该分子修饰剂的引入使得基于FAPbI3的传统结构钙钛矿太阳能电池在标准光照条件下的模拟效率达到24.07%。此外，优化后的器件表现出高热稳定性，在450 K温度下仍能保持初始性能的77%。

本研究针对甲脒铅碘（FAPbI₃）钙钛矿太阳能电池在实际应用中的相稳定性不足及界面非辐射复合严重等问题，通过数值模拟手段探索了富勒烯（C₆₀）自组装单分子层（SAM）的界面调控机制。研究人员利用SCAPS-1D软件构建了FTO/C₆₀/FAPbI₃/spiro-OMeTAD/Au器件模型，系统分析了C₆₀-SAM对能带排列、缺陷钝化及载流子动力学的调控作用。结果表明，C₆₀中间层通过形成永久偶极矩优化了界面能级对齐，有效抑制了界面处的肖克利-里德-霍尔（SRH）复合，最终将器件模拟效率从7.5%提升至24.07%，并在450 K高温下保持了77%的初始性能。该研究为实验制备高效稳定的FAPbI₃器件提供了重要的理论指导，相关成果发表于《RSC Advances》。

在技术方法上，研究人员采用一维太阳能电池电容模拟器（SCAPS-1D）进行数值模拟，该工具通过求解泊松方程及电子、空穴连续性方程来分析器件物理特性。模拟设定标准AM 1.5 G光照（1000 W m^?2）及300 K环境温度，以FTO为前电极、金（Au）为背电极。研究中设置了串联电阻（R_S）为4 ohm cm²、并联电阻（R_SH）为500 ohm cm²，并在电子传输层（ETL）/钙钛矿及钙钛矿/空穴传输层（HTL）界面引入陷阱态密度（N_Trap）为1.02 × 10¹²cm^?2的界面层，重点考察了钙钛矿层厚度、陷阱态密度、浅受主浓度及温度等参数对器件性能的影响。

1. 引言

研究指出，虽然甲脒基（FA⁺）钙钛矿因其优异的热力学耐久性优于甲基铵（MA⁺）体系，但其在环境条件下易自发转变为非钙钛矿相（δ-FAPbI₃），且界面存在的缺陷和悬挂键会导致晶格失配与界面应力，加剧非辐射复合。尽管以往研究尝试通过Cs⁺或MA⁺部分替代FA⁺来稳定α相，但会引发吸收光谱变窄和相分离问题。自组装单分子层（SAM）技术因能生成永久偶极矩以调整能带对齐、抑制离子迁移而被认为是有效的解决方案。

2. 研究方法

详细阐述了SCAPS-1D的工作原理，即通过求解半导体物理的基本公式（泊松方程、连续性方程及漂移-扩散方程）来计算光伏参数。研究明确了输入参数包括带隙（E_g）、介电常数（ε_r）、载流子迁移率（μ）、电子亲和能（χ_e）及掺杂密度等，并考虑了俄歇复合、辐射复合及SRH复合等机制。

3. 结果与讨论

初始性能与能带结构：参考器件（无C₆₀）模拟显示，FTO/C₆₀/FAPbI₃/spiro-OMeTAD/Au堆叠具有良好的能级对齐，参考器件开路电压（V_OC）为1.04 V，短路电流密度（J_SC）为24.46 mA cm^?2，填充因子（FF）为71.08%，光电转换效率（PCE）为18.25%。

陷阱态密度影响：随着FAPbI₃陷阱态密度（N_Trap）从10¹⁵cm^?3增至10¹⁹cm^?3，PCE从18.67%骤降至0.46%，主要归因于SRH复合增强导致载流子扩散长度缩短。

厚度优化：当钙钛矿厚度从300 nm增至700 nm时，J_SC因光吸收增强而提升，但V_OC因内建电势分散略有下降。700 nm厚度下器件PCE达18.81%。

浅受主密度调控：提高浅受主密度（N_A）可增强内建电势，使V_OC从1.05 V升至1.18 V，PCE从19.08%提升至21.29%。

寄生电阻分析：R_S增加会导致FF显著下降，而高R_SH能有效抑制漏电流，将PCE提升至24.07%。

热稳定性评估：在300 K至450 K范围内，V_OC和FF随温度升高而下降，但器件在450 K下仍保留了77%的初始性能。

C₆₀-SAM的作用机制：C₆₀中间层通过与未配位的Pb²⁺离子和碘空位相互作用实现缺陷钝化，并利用永久偶极矩改善能级对齐。最终优化器件实现了24.07%的PCE，对应V_OC为1.186 V，J_SC为24.65 mA cm^?2，FF为82.28%。

4. 结论

研究证实，在FTO电极与FAPbI₃之间引入C₆₀自组装单分子层，可将模拟效率从7.5%显著提升至24.07%。C₆₀层通过钝化界面缺陷、优化能带排列及促进电荷提取，有效抑制了非辐射复合。此外，该修饰层还增强了器件的高温稳定性。通过SCAPS-1D对钙钛矿层厚度、陷阱态密度及掺杂浓度的系统优化，为制备高效稳定的FAPbI₃基钙钛矿太阳能电池提供了重要的工艺指导。