钙钛矿太阳能电池的光电模拟及器件优化方法

科 技 视 界 Science 进 行 模 拟（2） 明 晰 钙 钛 矿 材 料 与 电 荷 传 输 层 之 间 元 素 键 如C-I、O-I、S-I、Pb-I、Sn-I 及 其 他 金 属 离 子-I/O 结 合 的 构 筑 关 系;（3） 探 究 激 子 在 新 型 无 铅 钙 钛 矿 光 敏 层 中 的 生 成、 解 离、 扩 散 及 收 集 的 物 理 机 制， 钙 钛 矿 太 阳 能 电 池 的 光 电 模 拟 及 器 件 优 化 方 法 田 苗 苗 1 范 芯 月 1 朱 琳 1,2 李 加 龙 2 （1. 长 春 师 范 大 学， 吉 林 长 春 130000； 2. 吉 林 省 长 白 朝 鲜 族 自 治 县 实 验 中 学， 吉 林 长 白 134400） 【 摘 要】 对 钙 钛 矿 太 阳 能 电 池 内 部 的 载 流 子 复 合 机 理、 复 合 方 式、 缺 陷 类 型 进 行 深 入 研 究， 实 现 在 光 电 器 件 内 的 多 尺 度 及 全 方 位 的 半 导 体 光 电 模 拟 的 优 化 工 作， 结 合 器 件 制 备 的 优 化 策 略， 将 有 助 于 钙 钛 矿 太 阳 能 电 池 领 域 的 进 一 步 发 展。 钙 钛 矿 太 阳 电 池 在 工 作 条 件 下， 器 件 内 部 的 光 场 及 电 场 的 分 布 对 光 生 载 流 子 的 输 运 行 为 有 着 重 要 的 影 响， 并 最 终 影 响 器 件 的 光 电 性 能。 半 导 体 光 电 模 拟 可 以 在 理 论 上 通 过 计 算 手 段 明 晰 各 个 功 能 层 的 选 择 并 预 测 内 部 电 子 与 空 穴 的 分 布 及 传 输 行 为， 为 实 际 光 电 器 件 的 制 备 提 供 技 术 指 导， 并 能 极 大 地 缩 短 研 究 进 程。 通 过FDTD 及APSYS 与DFT 光 电 模 拟 手 段 可 在 理 论 上 明 晰 并 优 化 钙 钛 矿 太 阳 能 电 池 中 各 个 功 能 层 的 光 学 与 电 学 行 为， 实 现 在 光 电 器 件 内 的 多 尺 度 及 全 方 位 的 半 导 体 光 电 模 拟 的 优 化 工 作， 结 合 器 件 制 备 的 优 化 策 略， 有 望 在 理 论 上 指 导 高 效 率 的 钙 钛 矿 太 阳 能 电 池 的 制 备。 【 关 键 词】 光 电 模 拟； 电 荷 传 输 层； 器 件 制 备； 界 面 工 程 中 图 分 类 号： TM914.4 文 献 标 识 码： A 文 章 编 号： 2095-2457（2019）14-0060-002 DOl：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.027 Photoelectric Simulation and Device Optimization for Perovskite Solar Cells TIAN Miao-miao 1 FAN Xin-yue 1 ZHU Lin 1,2 LI Jia-long 2 (1.Changchun Normal university，Jilin Changchun 130000,China; 2.School of Changbai Korean Autonomous County,Changbai Jilin 134400,China) 【Abstract】Photoelectric properties of the functional layers in perovskite solar cells could be optimized by using the method of FDTD and APSYS and DFT. Combined with the optimization strategy of device preparation,finally,the problem existing in the perovskite solar cells are conclude and its efficiency could be enhanced. 【Keywords】Photoelectric simulation;Charge transport layer;Device preparation;Interface engineering ※ 基 金 项 目： 本 文 系 吉 林 省 科 技 厅 自 然 科 学 基 金“ 基 于P3HT:lCBA-Ag 纳 米 粒 子 复 合 薄 膜 的 有 机 光 伏 器 件 中 表 面 等 离 激 元 现 象 研 究”（20190201131JC） 成 果 之 一。 60 科 技 视 界 Science（4） 揭 示 无 铅 钙 钛 矿 光 电 器 件 中 的 晶 态 缺 陷 密 度、 载 流 子 浓 度、 能 带 结 构、Urban 能 大 小、 载 流 子 复 合 速 率、 载 流 子 扩 散 长 度 对 器 件 性 能 的 影 响。 在 此 基 础 上， 实 现 在 光 电 器 件 内 的 多 尺 度 及 全 方 位 的 半 导 体 光 电 模 拟 的 优 化 工 作， 并 最 终 指 导 实 际 的 器 件 制 备。 上 述 工 作 的 开 展 对 从 根 本 上 提 升 无 铅 光 伏 器 件 的 光 电 转 换 效 率 有 着 决 定 性 的 意 义。 除 了 传 统 的 三 维 钙 钛 矿 材 料 外， 近 年 来 二 维 卤 化 物 钙 钛 矿 材 料 开 始 崭 露 头 角。 由 于 三 种 主 要 类 型（DJ、 RP 及ACI） 的 二 维 层 状 钙 钛 矿 材 料 在 空 间 结 构 上 的 差 异， 造 成 了 各 类 型 材 料 不 尽 相 同 的 科 学 属 性， 在 光 电 特 性 的 研 究 与 优 化 方 面， 可 围 绕（110） 取 向 的 二 维 层 状 卤 化 物 钙 钛 矿 材 料 开 展 如 下 三 个 方 面 工 作： 1.1 A 位 有 机 空 间 层 材 料 尺 寸 对 钙 钛 矿 结 构 的 影 响 在RP 相 中， 在 分 子 设 计 的 指 导 下， 合 成 具 有 适 宜 分 子 长 度 的A 有 机 分 子， 使 其 长 度 约 为 八 面 体 夹 层 空 间 距 离 的 一 半 左 右， 实 现A 有 机 分 子 在 夹 层 空 间 的 有 效 堆 叠 以 及 不 同 夹 层 空 间 的 有 机 分 子 之 间 的 完 全 隔 离， 在 量 子 阱 结 构 中 呈 现 出 良 好 的 空 间 电 荷 限 域 作 用， 有 效 的 稳 定 二 维 层 状 卤 化 物 钙 钛 矿 材 料 的 光 生 激 子， 从 结 构 特 性 上 获 得 具 有 优 异 光 电 特 性 的 二 维 材 料。 在DJ 与ACI 结 构 中， 与RP 相 反， 可 制 备 分 子 尺 寸 更 小 的A 有 机 分 子， 去 实 现 在 八 面 体 层 间 的 重 叠 堆 积 结 构， 在 分 子 尺 度 上 实 现 相 邻 的 八 面 体 层 之 间 微 弱 的 交 互 作 用， 最 终 实 现 具 有 稳 定 相 结 构 的 二 维 层 状 卤 化 物 钙 钛 矿 材 料。 1.2 不 同n 值 对 钙 钛 矿 光 电 特 性 的 影 响 二 维 层 状 钙 钛 矿 材 料 除 稳 定 性 及 材 料 的 丰 富 性 之 外， 一 个 重 要 的 优 点 即 是 可 以 通 过 不 同n 值 （ 八 面 体 层 数） 的 二 维 量 子 阱 结 构 精 确 调 控 材 料 的 光 电 特 性， 且 其 制 备 方 法 简 单。 受 形 貌 特 性 以 及 热 动 力 学 稳 定 性 的 影 响， 通 常 很 难 获 得 高n 值 下 的 纯 相 二 维 层 状 钙 钛 矿 材 料。 (RNH 3 ) 2 (A) n-1 B n X 3n+1 (RNH 3 ) 2 A 2 B 3 X 10 +(n-3)ABX 3 除 了 光 学 特 性 的 研 究， 二 维 层 状 卤 化 物 钙 钛 矿 材 料 的 激 子 束 缚 能 对 器 件 的 光 电 转 换 效 率 具 有 重 要 影 响。 在n=1 时， 材 料 通 常 具 有 较 大 的 激 子 束 缚 能, 这 与 理 想 光 伏 器 件 中 的 光 吸 收 层 特 性 尚 有 差 距。 可 通 过 采 用 物 理 模 型 及 维 数 简 约 方 法 协 同 分 析 所 制 备 的 二 维 层 状 卤 化 物 钙 钛 矿 材 料 在 不 同n 值 下 的 激 子 动 力 学 行 为， 优 化 激 子 的 寿 命、 扩 散 长 度 及 束 缚 能， 为 高 效 率 器 件 的 制 备 奠 定 技 术 及 理 论 基 础。 1.3 不 同 相 结 构 材 料 的 形 貌 演 变 规 律 由 于 三 种 常 见 结 构（RP、DJ 及ACI） 的 存 在， 二 维 层 状 卤 化 物 钙 钛 矿 材 料 随 着n 值 及A 的 差 异， 其 形 貌 演 变 与 传 统 的 三 维 材 料 有 着 较 大 区 别。 在 上 述 基 础 上， 通 过 良 溶 剂 与 不 良 溶 剂 的 气 氛 处 理 技 术、 热 退 火 方 法 及 溶 剂 后 处 理 工 艺 对 制 备 的 材 料 开 展 形 貌 演 变 规 律 的 研 究， 探 究 其 晶 格 稳 定 性 与 温 度 的 对 应 关 系 及 材 料 对 溶 剂 调 控 的 耐 受 性， 在 此 基 础 上 获 得 易 于 制 备 的 钙 钛 矿 光 电 材 料 的 方 法 与 技 术。 在 实 际 的 光 电 器 件 制 备 过 程 中， 具 体 的 优 化 策 略 如 下：（1） 优 化 钙 钛 矿 光 敏 层 在 器 件 中 的 钝 化 行 为， 在 提 高 器 件 性 能 的 同 时 大 幅 提 高 其 稳 定 系;（2） 发 展 钙 钛 矿 晶 粒 原 位 生 长 技 术， 包 括 可 控 溶 剂 气 氛 处 理 方 法、 良 溶 剂 与 不 良 溶 剂 混 合 调 控 技 术、 钙 钛 矿 晶 粒 的 原 位 包 覆 方 法;（3） 合 成 新 型 的 有 机 小 分 子 电 子 及 空 穴 传 输 材 料， 在 前 期 系 列 工 作 的 基 础 上 进 一 步 开 发 适 用 于 无 铅 钙 钛 矿 光 电 器 件 的 新 型 小 分 子 材 料;（4） 界 面 工 程， 主 要 包 括 界 面 的 梯 度 掺 杂、 界 面 能 带 调 控、 界 面 功 能 层 的 引 入 等。 2 结 论 钙 钛 矿 太 阳 能 电 池 的 光 电 模 拟 可 在 理 论 上 优 化 各 功 能 层 的 光 学 与 电 学 特 性， 在 此 基 础 上 通 过 采 用 所 述 的 器 件 优 化 策 略， 有 望 在 未 来 指 导 高 效 率 钙 钛 矿 太 阳 能 电 池 的 制 备 与 优 化。 【 参 考 文 献】 [1]Xu,P.Chen,S.Xiang,H.J.Gong,X.G.Wei,S.H.Chem.Mater. 2014,26,6068. [2]Kumar,M.H.Dharani,S.Leong,W.L.Boix,P.P.Prabhakar,R. R.Baikie,T.Shi,C.Ding,H.Ramesh,R.Asta,M.Grätzel,M.Mhaisalkar, S.G.Mathews,N.Adv.Mater.2014,26,7122. [3]Sabba,D.Mulmudi,H.K.Prabhakar,R.R.Krishnamoorthy,T.Baikie,T. Boix,P.P.Mhaisalkar,S.Mathews,N.J.Phys.Chem.C.2015,119,1763. [4]Peedikakkandy,L.Bhargava,P.RSC Adv.2016,6,19857. [ 5]Seo,D.K.Gupta,N.Whangbo,M.H.Hillebrecht,H.Thiele, G.Inorg Chem.1998,37,407. [6]Kamba,S.Nuzhnyy,D.Nechache,R.Zaveta,K.Niznansky,D.Santava,E.C. Harnagea Pignolet,A.Phys.Rev.B2008,77,104111. [7]Nechache,R.Cojocaru,C.V.Harnagea,C.Nauenheim,C.Nicklaus,M. Ruediger,A.Rosei,F.Pignolet,A.Adv.Mater.2011,23,1724. [ 8]McClure,E.T.Ball,M.R.Windl,W.Woodward,P.M.Chem. Mater.2016,28,1348. [9]Volonakis,G.Filip,M.R.Haghighirad,A.A.Sakai,N.Wenger,B. Snaith,H.J.Giustino,F.J.Phys.Chem.Lett.2016,7,1254. [10]Xiao,Z.Meng,W.Wang,J.Yan,Y.ChemSusChem.2016,9,2628. 61