通过引入掺铈的ZnO电子传输层（ETL）材料，提高FTO/Sb:SnO?/FA 0.85Cs 0.15PbI 2.70Br 0.3/BaSi?钙钛矿太阳能电池的效率

《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Advancing the Efficiency of FTO/Sb:SnO?/FA 0.85Cs 0.15PbI 2.70Br 0.3/BaSi? Perovskite Solar Cells by Incorporating Ce-Doped ZnO ETL materials

钙钛矿太阳能电池通过替换传统Spiro-OMeTAD为BaSi? HTL和CeZnO ETL，优化层材料与结构参数，显著提升效率至29.12%（Voc=1350mV，Jsc=25.22mA/cm2，FF=85.48%）。

　　在当前全球能源需求日益增长的背景下，环境恶化和能源短缺成为亟需解决的挑战。因此，寻求清洁、高效且可持续的能源解决方案成为各国科技发展的重点方向。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，因其在环境友好性和能源转换效率方面的优势而受到广泛关注。其中，光伏（Photovoltaic, PV）技术是将太阳能直接转化为电能的关键手段，其发展对实现碳中和目标具有重要意义。

近年来，太阳能电池的研究取得了显著进展，尤其是在新型材料的开发和结构优化方面。传统的硅基太阳能电池虽然在商业化应用中占据主导地位，但其制备过程涉及高能耗、高成本以及对生态环境的潜在影响，限制了其大规模推广。相比之下，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其优异的光电性能和低成本的制造工艺，被视为下一代高效光伏技术的有力竞争者。钙钛矿材料具有可调的带隙、强光吸收能力以及长的载流子寿命等特性，使其在太阳能转换效率方面展现出巨大潜力。

为了进一步提升钙钛矿太阳能电池的性能，研究者们不断探索新型的电子传输层（Electron Transport Layer, ETL）和空穴传输层（Hole Transport Layer, HTL）材料。ETL和HTL在太阳能电池中起着至关重要的作用，它们不仅影响载流子的传输效率，还决定了器件的稳定性与寿命。在众多研究中，研究人员发现，采用宽禁带材料作为ETL和HTL可以有效减少少数载流子的损失，提高电荷捕获率，从而提升整体效率。基于这一理念，本研究提出了一种新型的钙钛矿太阳能电池结构，其中使用了掺杂的氧化锌（Ce-ZnO）作为ETL-2材料，以及一种宽禁带的硅化钡（BaSi?）作为HTL材料，替代了传统的Spiro-OMeTAD空穴传输材料，从而构建了FTO/Sb:SnO?/CeZnO/FA?.??Cs?.??PbI?.??Br?.?/BaSi?结构的太阳能电池。

在实际应用中，ETL和HTL的性能直接影响太阳能电池的效率和稳定性。传统的有机空穴传输材料，如Spiro-OMeTAD，虽然在提高空穴传输效率方面表现出色，但也存在诸多问题。例如，其载流子迁移率较低，导电性不足，且在热和湿环境下容易发生降解，导致器件性能下降。此外，有机材料的合成成本较高，限制了其在大规模生产中的应用。相比之下，无机空穴传输材料如CuCrO?、CuSCN和NiO?等，具有更好的热稳定性和化学稳定性，同时还能提供较高的载流子迁移率和导电性，成为研究的热点。然而，这些材料在实际应用中也面临一些挑战，如对光的吸收特性不佳，以及在某些条件下可能影响器件的稳定性。

本研究聚焦于宽禁带材料在太阳能电池中的应用，特别是Ce-ZnO和BaSi?的引入。Ce-ZnO作为一种掺杂材料，具有较高的带隙（约4.5 eV）、良好的光透过率（94%）以及较高的导电性（2×10? cm?1 Ω?1），这些特性使其在紫外光范围内的光吸收能力更强，同时能够有效促进电子的提取，从而提升器件的性能。BaSi?则因其可调的带隙（1.1–1.35 eV）、高吸收系数（~10? cm?1）以及良好的热稳定性和结构稳定性，成为一种理想的空穴传输材料。此外，BaSi?的丰富自然资源使其在成本控制方面具有优势，有助于推动太阳能电池的商业化进程。

为了验证新结构的性能，本研究采用AFORS-HET模拟平台对传统结构和新结构进行了对比分析。传统结构采用FTO/Sb:SnO?/FA?.??Cs?.??PbI?.??Br?.?/spiro-MeOTAD配置，而新结构则在该基础上引入了Ce-ZnO作为ETL-2，并将BaSi?用作HTL。通过调整关键参数，如陷阱辅助复合、缺陷密度、活性层厚度、掺杂浓度以及热操作条件，研究团队对新结构的光电性能进行了系统评估。

在光学性能方面，研究团队对光的传输、反射、折射率（n）、消光系数（k）以及吸收特性进行了详细分析。这些参数对于评估太阳能电池对入射光的利用效率至关重要。通过优化这些参数，研究团队发现新结构在光吸收和传输方面表现出色，能够更有效地捕获和利用光能，从而提高器件的光电转换效率。

在电气性能方面，研究团队对电子和空穴的传输特性进行了深入分析。通过调整电子和空穴的传输层厚度以及掺杂浓度，研究团队发现新结构在载流子传输效率和提取能力方面优于传统结构。此外，通过引入Ce-ZnO作为第二电子传输层，研究团队进一步优化了器件的能带结构，减少了载流子在传输过程中的复合损失，从而提升了整体的效率。

本研究的实验结果表明，新结构的钙钛矿太阳能电池在多个关键性能指标上均表现出色。例如，开路电压（Voc）达到了1350 mV，短路电流密度（Jsc）为25.22 mA/cm2，填充因子（FF）为85.48%，最终的转换效率（η）达到了29.12%。这些结果不仅证明了新结构在提高效率方面的潜力，也表明其在减少制造成本和提升环境可持续性方面具有显著优势。

综上所述，本研究通过引入宽禁带的Ce-ZnO和BaSi?材料，构建了一种新型的钙钛矿太阳能电池结构，显著提升了其光电性能和稳定性。研究团队通过系统调整关键参数，验证了新结构在光吸收、载流子传输和器件寿命方面的优势。这一研究成果为未来高效率、低成本和环境友好的太阳能电池提供了新的思路和方向，具有重要的应用价值和研究意义。