B141+CdS-CdTeMAPb(I1-xBrx)3薄膜太阳电池的模拟设计+周彪

CdS/CdTe/MAPbI1-xBrx3薄膜太阳电池的模拟设计 周彪 1，张帆 2，张俊淋 1,杨秀涛 1,张静全 1，武莉莉 1，李卫 1，黎兵 1，郝霞 2，赵德威 1，曾广根 1，冯良桓 1 四川大学，材料科学与工程学院，成都， 610064；四川大学，新能源材料与低碳技术研究院，成都， 610065 研究背景 有机金属卤化物钙钛矿材料在光伏 PV领域发展迅速 ， 基于其的太阳电池在 过去十年间获得的效率提升甚至超过了传统太阳电池经过几十年发展所获得的 提升 。 钙钛矿太阳电池的纪录效率已经达到 25.8， 和晶硅太阳电池的 26.7的 纪录效率已经相当接近 。 此外 ， 由于 CH3NH3PbI1-xBrx3钙钛矿薄膜带隙可调 ， 其也已经被广泛应用于 制作叠层太阳电池和彩色太阳电池 。 对于 CdTe太阳电池 ， 考虑到 CH3NH3PbI1- xBrx3薄膜宽的带隙调节范围 从 1.57到 2.29 eV和合适的电子亲和势 χ CH3NH3PbI1-xBrx33.9 eV， 理论上适当带隙的 CH3NH3PbI1-xBrx3薄膜能够缓 解 CdTe吸收层和 Au电极间的功函数差 ， 从而提高器件性能 。 因此 ， 本文利用 SCAPS-1D软件对含 CH3NH3PbI1-xBrx3背接触的 CdTe太阳电池进行了相关模拟 ， 以验证相关实验的可行性 。 ◆ Notes ➢ 前接触 FTO/前电极 在模拟中被设置为理想情况，即 flat band，以突出研究钙 钛矿背接触层的作用。 ➢ 本模拟采用 AM1.5G光谱，透明电极透过率为 85 。 ➢ 为突出钙钛矿背接触层作用， Au的功函数设置为 5.30 eV。 ➢ 在各复合机制中，为了模拟工作的简便，本文仅考虑 SRH复合。 Parameters FTO CdS CdTe MAPbI1-xBrx3 Thicknessum 0.50 0.065 3.5 variable EgeV 3.65 2.42 1.50 variable χeV 4.50 4.50 4.35 3.90 ε/ε0 9.00 10.00 11.90 6.50 μn/pcm2.v-1.s-1 100/25 100/25 320/40 2.0/2.0 NA/NDcm-3 1E20 1.1E18 Variable variable Ntcm-3 1.1E16 1.1E16 1.0E14 1.0E14 ➢ 在整个带隙变化范围， JSC的变化并不显著，而 VOC和 FF有着明显的变化。与 Au-only器件相比较， Eg为 1.60 eV时，器件性能与之持平，而当 Eg大于 1.80 eV时，器件性能较之下降。因此，从 IV曲线的模拟结果来看，带隙在 1.70至 1.80 eV的钙钛矿背接触较合适作为 CdTe太阳电池的背接触层。 ➢ CdTe与钙钛矿背接触层在界面的价带匹配 很明显 Eg为 1.60 eV界面能带差过 大，而带隙为 1.90或 2.0 eV时，整体能带向下弯曲造成载流子输运势垒，这也 解释了上述 IV曲线的结果。 ➢ 复合电流与电压的关系。同样的，当带隙为 1.70和 1.80 eV时对应的 VSRH最大， 这表明这两种情况下载流子复合被有效的抑制 。 图 2.不同带隙的钙钛矿背接触电池的 a电流 -电压曲线 bCdTe/钙钛矿 界面价带匹配 c复合电流 -电压曲线。 图 4.器件性能随钙钛矿薄膜的掺杂水平和厚度的变化 a, b和 c对应 CdTe的 5E13 cm-3的掺杂浓度 ; d, e和 f对应 CdTe的 2E14 cm-3的掺杂浓度。 ◆ 对带隙为 1.80 eV的钙钛矿背接触层的电池 的 进一步模拟 ➢ 提高钙钛矿层的载流子浓度和合适的调控其厚度能进一步提高器件 性能 。 ➢ 此外，提高 CdTe的掺杂浓度也能显著提升电池性能。 ➢ MAPbI1-xBrx3薄膜理论上能作为 CdTe太阳电池的 无 Cu背接触层 ，从 而提高电池的 VOC和 FF。 优化的器件性能参数探索 图 5. a 不同背接触的 Best-Performing电池 a光 I-V曲线 , b暗态 I-V曲 线 , cEQE曲线 ➢ 带隙为 1.80 eV左右的钙钛矿背接触层能大幅降低背部势垒，而带隙过 大时背接触势垒将增加。 ➢ 势垒降低与模拟结果和实验结果吻合。 ➢ 电池的均匀性在引入 MAPbI1-xBrx3薄膜后有所提升。 结论 SCAPS-1D模拟结果表明，带隙在 1.80 eV左右的 MAPbI1-xBrx3 薄膜能够作为 CdTe太阳电池的背接触层，即使在没有引入 Cu的 情况下，电池性能仍然能得到显著提升。这主要归因于电池背部 良好的能带匹配和显著抑制的 SRH复合。准确的调控薄膜的掺杂 浓度和厚度等能够进一步提升电池性能。 实验结果证实了上述模拟的结论， MAPbI1-xBrx3薄膜可以作 为 CdTe太阳电池的有效的无 Cu背接触层来降低背部势垒。另外， LBIC结果表明电池的均匀性也会随着 MAPbI1-xBrx3薄膜的引入 而提高。 B141 设计的电池结构与模拟输入参数 结果与讨论 理论 模拟部分 图 3.CdTe太阳电池能带图 a对照组电池 b含钙钛矿背接触的电池 Eg1.80 eV 图 1. 用于模拟的 CdTe太阳电池结构 表 1. SCAPS-1D软件模拟使用的参数 结果与讨论 实验部分 ➢ 光 I-V结果表明，带隙在 1.80 eV左右的 MAPbI1-xBrx3薄膜在作为背接 触层时，能显著提高电池性能。 ➢ 应用钙钛矿背接触后， Roll-Over现象显著被抑制。 ➢ 钙钛矿背接触的引入对 EQE积分电流的影响不显著。 图 5. a 不同背接触电池的 a背接触势垒拟合结果 , bLBIC测试