Numerical Optimization of Electron Transport Layer-Free Perovskite Solar Cells Utilizing Titanium-based Perovskite Absorber with Feasibility for Low-Cost Carbon Back-Contact
本研究利用 SCAPS-1D 数值模拟证明，一种具有 CuSbS₂/CuI 双层空穴传输层和低成本碳背接触的无电子传输层 Cs₂TiBr₆ 钙钛矿太阳能电池可以实现 26.49% 的高光电转换效率，从而提供了一种可行、可扩展且无铅的光伏架构。
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太阳提供了广阔且免费的能量供应，但要高效地捕捉这些能量，需要能够将光转化为电能、且既不会造成沉重经济负担又不会污染环境的材料。多年来，科学家们一直致力于研发一种由名为钙钛矿（perovskite）的晶体结构制成的特定太阳能电池，这种电池在阳光转化为电能方面展现出了惊人的潜力。然而，这些电池中最高效的版本依赖于铅——一种有毒金属，这使得大规模生产存在风险，且难以进行安全的处置。为了解决这个问题，研究人员正在探索无铅的替代方案，例如一种由铯、钛和溴组成的材料。虽然这种新材料安全且稳定，但在历史上一直难以达到其含铅“亲戚”们的性能水平，往往会以热量的形式损失能量，或者无法让电荷快速移动到收集它们的导线中。
来自尼日利亚和喀麦隆的一个研究小组现在利用强大的计算机建模技术，设计了一种构建这些无铅太阳能电池的新方法。他们没有试图强行让材料在复杂且昂贵的层结构中发挥作用，而是将设计精简到了最基本的要素。他们移除了一个被称为电子传输层的标准组件（该组件通常会增加成本和复杂性），并将通常用于收集电力的昂贵金背板替换成了简单、廉но的碳电极。通过仔细调整晶体层的厚度以及夹在它们之间的材料的化学特性，研究人员模拟出了一个性能表现接近最佳理论模型的设备。他们的工作表明，制造出一种高效、无毒、制造简单且价格低廉到足以广泛使用的太阳能电池是完全可能的。
研究人员专注于一种特定的架构，即一层铯-钛-溴晶体位于前玻璃电极和后接触层之间。在初步测试中，他们比较了不同的电荷移动方式。他们发现，使用单层结构来辅助电荷移动时，效率仅为约 11.8%。然而，当他们引入第二层与第一层协同工作时，性能显著提升。这个双层系统就像一个更有效的漏斗，将电荷平滑地引导至设备的背面，同时防止它们从错误的路径泄露。这种改进将原型机的效率推升至接近 12%，这清楚地表明这种材料组合的协作效果优于单一材料。
在确定了最佳的双层结构后，团队进行了数千次模拟，以寻找该设备的完美配方。他们调整了每一层的厚度、其中的电荷浓度以及可能捕获能量的微小缺陷数量。他们发现，主晶体层的质量是最关键的因素；即使是微小的缺陷增加，也会导致效率骤降。他们还发现，作为电流离开电池出口的后接触层，可以使用碳而不会造成性能损失。在模拟中，使用金背接触的设备达到了 26.49% 的效率，而使用碳背接触的设备也达到了完全相同的数值。这是一个至关重要的发现，因为金稀有且昂贵，而碳丰富且廉价，这表明高成本的背电极并不是实现高性能的必要障碍。
模拟还揭示了该设备在现实世界条件下的表现。当研究人员在不同温度下测试模型时，太阳能电池保持了稳定，随着热量增加，仅损失了极小部分的功率。同样，当他们模拟通过聚集阳光来增强光照强度的效果时，该设备仍能高效发电，显示出它可以在强光下保持正常运行而不失效。计算机模型表明，该设备的运行非常接近其特定属性所对应的理论极限，这意味着仅通过模拟设计已几乎没有进一步提升的空间。
尽管结果令人振奋，但研究人员谨慎地指出，这些数据来自计算机模型，而非物理实验室实验。模拟假设各层是完美平滑的，且材料不存在现实制造过程中经常出现的缺陷。作者强调，虽然设计在理论上是成立的，但制造实际设备仍需证明碳背接触可以均匀涂覆，以及晶体层可以以模型所要求的低缺陷水平生长。尽管如此，这项工作为实验人员提供了一份清晰的路线图，明确了应该使用哪些材料、它们的厚度应该是多少，并证明了使用低成本碳电极是创造安全、高效且负担得起的太阳能的切实可行之路。
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