论文信息：

Huaxu Liang, Zhenlong Wen, Fuqiang Wang and Ziming Cheng, Design of hierarchical nanohole for efficient broadband light absorption of MAPbI3 perovskite material based solar cell with thin absorber layer, Energy Reports 9 (2023) 190–198.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.egyr.2023.03.001

研究背景

能源和环境危机是21世纪全球面临的重大问题。因此，需要发展可再生能源。太阳能发展迅速，是目前最有用的可再生能源之一。光热、光电、光化学是利用太阳能的三种主要方式。其中，光电转换可以直接将太阳能转化为电能，已经大规模商业化。钙钛矿太阳能电池因其低廉的制造成本、高效可调的带隙成为太阳能电池家族中的新星。MAPbI3基钙钛矿太阳能电池是目前研究最多的钙钛矿太阳能电池，由于MAPbI3中含有Pb等有毒元素，传统的降低有毒铅元素的方法是以牺牲能量转换效率为代价，以锡、锗等安全元素替代Pb。将部分Pb带走和使用陷光器都可以减少有毒的铅元素，同时保持甚至增强光吸收。深入研究的重点是使钙钛矿材料的吸收层变薄，使得钙钛矿层中的铅含量降低，但光吸收效果不好。因此，在不降低光吸收的前提下减小吸收层厚度具有重要意义。本文提出了一种新的钙钛矿层中分级纳米孔的设计，旨在提高钙钛矿材料太阳能器件的光吸收率。

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研究内容

分级纳米孔可以在太阳能电池吸收层中激发次导模，增强局域电强度，从而提高电池光吸收率。此外，研究了分级纳米孔几何结构对电池光吸收率和Jsc的影响。总的来说，这项工作可以为具有高能量转换效率的超薄钙钛矿太阳能电池提供一种新的设计，在不降低钙钛矿太阳能电池光吸收的情况下减小其厚度。 图 1分别为所设计电池的吸收层平面器件和器件内部的分级纳米孔示意图。该器件由6部分组成：衬底玻璃、ITO ( 150 nm )、TiO2 ( 20 nm )、基于MAPbI3钙钛矿材料的吸收层(可变厚度)、空穴传输层( Spiro-OMe TAD , 230 nm)和透明导电电极层( ITO , 160 nm)。分级纳米孔被Spiro - OMe TAD填充。分级纳米孔填充因子定义为FF。FF=A/P，A为孔的面积，P为周期。

图1.分别为平面器件和器件内部的分级纳米孔示意图。

为了验证工作中FDTD方法计算的光谱吸收率，作者计算了单孔电池的光吸收，并将计算结果与文献进行了比较。结果如 图 2所示，红线为文献提供的单孔光吸收钙钛矿太阳能电池。与FDTD (蓝色圆点)计算结果吻合较好，计算结果相差小于5 %。

图2.将本研究FDTD模拟的单孔内钙钛矿材料基器件与文献中的器件进行对比。

图 3为( 1 )平面钙钛矿吸收层；( 2 )钙钛矿吸收层中的圆柱形孔；( 3 )钙钛矿吸收层中的分级纳米孔三种结构的Jsc的分析，与平面MAPbI3太阳能器件相比，单孔或分级纳米孔内的MAPbI3材料太阳能器件的Jsc有很大的提高。当在吸收层中引入分级纳米孔时，光电流提高到19 mA / cm2，这是相比于平面和单孔太阳能电池的最大光电流。当在吸收层中加入一个空穴时，光电流为17.8 mA / cm2，比分层纳米孔的光电流低1.2 mA / cm2。当吸光层中没有纳米结构时，光电流为16.2，比分级纳米孔的光电流低2.8 mA / cm2。因此，多级纳米孔的光电流比平面提高了17 %，比圆柱形孔提高了6.7 %。

图3.平面钙钛矿太阳能电池的Jsc，单孔钙钛矿太阳能电池的Jsc和具有分级纳米孔的钙钛矿太阳能电池的Jsc。

如 图 4所示，蓝线表示平面MAPbI3材料太阳能器件的光吸收率，绿线表示参考MAPbI3材料太阳能器件在一个圆柱形孔内的光吸收率，红线表示MAPbI3材料太阳能器件在分级纳米孔内的光吸收率。具有分级纳米孔的钙钛矿太阳能电池在400 ~ 800 nm的波长范围内具有比平面钙钛矿材料基太阳能电池和单孔钙钛矿太阳能电池更高的光吸收率。因此，分级纳米孔可以有效地增强钙钛矿太阳能电池的光电流和吸收。

图4.分别研究了平面MAPbI3太阳能器件、单孔MAPbI3太阳能器件和多级纳米孔MAPbI3太阳能器件的光谱吸收率。

另外，作者分析了分级纳米孔几何结构对器件输出功率的影响。分级纳米孔的深度和FF影响电池的光电流和光吸收率。如 图 5 (a)所示，当h1分别为120, 160, 200 nm, h2为40、80、120、160和200 nm时，多级纳米孔MAPbI3材料太阳能器件的光电流分别为18.10、18.28、18.47、18.61和18.58 mA / cm2; 18.32、18.55、18.70、18.76和18.60 mA / cm2; 18.59、18.80、18.94、19.01和18.64 mA / cm2。对于不同的h1，具有分级纳米孔的MAPbI3材料太阳能器件的光电流随h2的变化趋势相同。Jsc先随h2的增大而增大，后随h2的增大而减小。如 图 5 (b)所示.h2 = 160 nm的太阳能电池的光吸收高于h2 = 40、80、120和200 nm的太阳能电池。图 图 5 (c)显示了FF对光电流的影响。当分级纳米孔的FF1从50 %变化到25 %，光电流大幅度下降。图 5 (d)显示了P对光电流的影响。如图所示，光电流分别为17.59、19.01、18.62、18.90和18.91 mA / cm2。从图中可以看出，光电流先随着P的增加而增加，然后随着P的增加而减小，接着随着P的增加而增加，最后随着P的增加而保持一个稳定的值。可以得出，当P =380 nm时，Jsc最大，当P大于380 nm时，Jsc出现振荡。最大的Jsc可能是由于次导模的传播常数与光栅的空间频率相匹配。总体而言，上述分析可以为多级纳米孔的参数设计提供指导。

图 5 .分级纳米孔几何结构对光吸收率和Jsc的影响。 ( a )分级纳米孔的h2和FF影响Jsc； ( b )分级 纳米孔的h2影响光谱吸收率； ( c ) FF影响光电流； ( d ) P对光电流的影响。

计算了具有分级纳米孔的钙钛矿材料基吸收层的电场强度分布，以阐述其光吸收增强。将 图 6 (a)中平面钙钛矿太阳能电池的电场强度与 图 6 (b)中分级纳米孔的电场强度进行对比，入射光波长为675 nm。如图6 (a)所示，串联的平面层诱导了法布里-珀罗干涉效应。与平面钙钛矿太阳能电池相比，分级纳米孔增强了钙钛矿吸收层内部的电场强度，其特点是两个明亮的局域点位于边界，如 图 6 (b)所示。此外，分级纳米孔可以在吸收层中激发次导模。因此，电场强度因次导模耦合数量的增加而增强。

图6 .多级纳米孔中间X-Z平面的电场方向图，其中P为380 nm，FF1= 50%，FF2= 25%，h1=200 nm，h2=160 nm。( a )平面MAPbI3太阳能器件的电场强度；( b )分级纳米孔的电场强度。

结论与展望

本研究设计并提出了一种用于钙钛矿太阳能电池的分级纳米孔，并增强其光吸收和Jsc。通过电场分布证明了入射光耦合到钙钛矿吸收层中的次导模，这是光吸收增强的原因。所提出的具有分级纳米孔的钙钛矿太阳能电池在Jsc中优于平面太阳能电池17 %，优于具有一个纳米孔钙钛矿太阳能电池6.7 %。此外，所提出的钙钛矿太阳能电池可以减少钙钛矿材料的使用量，并在不损失光的情况下降低Pb含量。此外，最高Jsc对应的多级纳米孔的结构参数可以通过纳米压印技术进行实验制备。

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