基于新型V2O5空穴传输层的钙钛矿太阳能电池性能优化研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0129

摘要/Abstract

摘要： V₂O₅具有优异的稳定性、光学和电学性能，且价格低廉，能有效提高太阳能电池的光电性能，是一种新型的空穴传输层材料。采用SCAPS-1D模拟软件，设计并构建了一种结构为FTO/ZnO-NR/ CH₃NH₃Pb（I_1-_x Cl _x ）₃/V₂O₅/C的钙钛矿太阳能电池。通过对CH₃NH₃Pb（I_1-_x Cl _x ）₃材料厚度与带隙的优化调控研究发现，当其厚度为0.8 μm、带隙为1.5 eV时，器件的光电转换效率（PCE）达到最大值26.95%。同时进一步研究了ZnO-NR的掺杂浓度和CH₃NH₃Pb（I_1-_x Cl _x ）₃/V₂O₅界面缺陷对器件性能的影响。

关键词: 钙钛矿太阳能电池; V₂O₅; SCAPS-1D模拟软件; ZnO-NR掺杂; 光电转换效率

Abstract: V₂O₅ has outstanding stability， superior optical and electrical properties， and cost-efficient. This material can significantly enhance the photoelectrical performance of solar cells and represents an innovative type of hole-transport layer material. A perovskite solar cell featuring the architecture of FTO/ZnO-NR/ CH₃NH₃Pb（I_1-_x Cl _x ）₃/V₂O₅/C was meticulously designed utilizing the SCAPS-1D simulation software. Through systematic optimization and adjustment of the thickness and band gap of the CH₃NH₃Pb（I_1-_x Cl _x ）₃ material， it was determined that the maximum photoelectrical conversion efficiency （PCE） of 26.95% was achieved when the thickness and band gap were 0.8 μm and 1.5 eV， respectively. Concurrently， the influences of the ZnO-NR doping concentration and the interfacial defects at the CH₃NH₃Pb（I_1-_x Cl _x ）₃/V₂O₅ on device performance were also investigated.

Key words: perovskite solar cell; V₂O₅; SCAPS-1D simulation software; ZnO-NR doping; photoelectric conversion efficiency

中图分类号:

TM914.4

王传坤, 丁熙娅, 刘邦震, 郝艳玲. 基于新型V₂O₅空穴传输层的钙钛矿太阳能电池性能优化研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(1): 111-119.

WANG Chuankun, DING Xiya, LIU Bangzhen, HAO Yanling. Performance Optimization of Perovskite Solar Cells Based on the Novel Hole-Transport Layer V₂O₅[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(1): 111-119.

图/表 10

图1 CH3NH3PbI3晶体结构（a）和CH3NH3Pb（I1-x Cl x ）3光吸收谱（b）［17］

Fig.1 Crystal structure of CH3NH3PbI3 （a） and optical absorption spectrum of CH3NH3Pb（I1-x Cl x ）3 （b）［17］

图2 钙钛矿太阳能电池结构（a）和能级示意图（b）

Fig.2 Structure of perovskite solar cell （a） and schematic illustration of energy level （b）

表1 模拟器件中的输入参数

Table 1 Input parameters in simulating devices

Parameter	V₂O₅^［18］	CH₃NH₃Pb（I_1-_x Cl _x ）₃^［6，19］	ZnO-NR^［20］	FTO^［20］	Spiro-OMeTAD^［21］
d/μm	0.3	0.5	0.2	0.3	0.3
E_g/eV	2.2	1.5	3.47	3.2	2.91
χ/eV	3.4	3.93	4.3	4.4	2.2
ε_r	8.0	6.5	9	9	3
N_c/cm^-3	9.2×10¹²	2.2×10¹⁷	2.0×10¹⁸	2.2×10¹⁸	2.8×10¹⁹
N_v/cm^-3	5×10²⁰	1.9×10¹⁹	1.8×10¹⁹	1.9×10¹⁹	1.0×10¹⁹
µ_e/（cm²·V^-1·s^-1）	1×10²	1×10⁷	1×10⁷	1×10⁷	1×10⁷
µ_n/（cm²·V^-1·s^-1）	2×10^-4	2×10^-1	2	20	1.2×10^-4
µ_p/（cm²·V^-1·s^-1）	2×10^-4	2×10^-1	1	80	1.2×10^-4
N_D/cm^-3	0	0	1×10¹⁹	1.0×10¹⁸	0
N_A/cm^-3	1×10²²	1.0×10¹⁰	0	0	2.2×10¹⁸
N_t/cm^-3	1×10¹⁵	1×10¹⁵	1×10¹⁵	1×10¹⁵	1.0×10¹⁵

表2 各层材料之间的界面参数

Table 2 Interface parameters between different layers of materials

Parameter	V₂O₅/CH₃NH₃Pb（I_1-_x Cl _x ）₃	H₃NH₃Pb（I_1-_x Cl _x ）₃/ZnO-NR	ZnO-NR/FTO
Type of defect	Neutral	Neutral	Neutral
Cap. cross section （CCS） electrons/cm²	1×10^-19	1×10^-19	1×10^-19
CCS holes/cm²	1×10^-19	1×10^-19	1×10^-19
Distributions of energy	Single	Single	Single
Reference for defect energy level E_t	Above the highest E_v	Above the highest E_v	Above the highest E_v
Total density/cm^-2	1×10⁸	1×10⁸	1×10¹⁰

图3 钙钛矿太阳能电池光伏曲线（a），外量子效率随波长的变化关系（b）和能级随位置变化关系（c）

Fig.3 Photovoltaic curve of perovskite solar cells （a）， variation of external quantum efficiency with wavelength （b）， and variation of energy levels with position （c）

图4 光吸收层厚度对器件性能影响

Fig.4 Influence of thickness of absorption layer on device performance

图5 光吸收层掺杂浓度NA对器件性能影响

Fig.5 Influence of doping concentration of absorption layer on device performance

图6 电子传输层掺杂浓度ND对器件性能的影响

Fig.6 Influence of doping concentration of electron transport layer on device performance

图7 CH3NH3Pb（I1-x Cl x ）3厚度与V2O5/CH3NH3Pb（I1-x Cl x ）3界面缺陷对器件性能的影响

Fig.7 Influence of layer thickness of CH3NH3Pb（I1-x Cl x ）3 and interface defects of V2O5/ CH3NH3Pb（I1-x Cl x ）3 on device performance

图8 CH3NH3Pb（I1-x Cl x ）3厚度与带隙对器件性能的影响

Fig.8 Influence of thickness and band gap of CH3NH3Pb（I1-x Cl x ）3 on device performance

参考文献 25

[1]	RONG Y G， HU Y， MEI A Y， et al. Challenges for commercializing perovskite solar cells［J］. Science， 2018， 361（6408）： eaat8235.
[2]	KIM J Y， LEE J W， JUNG H S， et al. High-efficiency perovskite solar cells［J］. Chemical Reviews， 2020， 120（15）： 7867-7918.
[3]	WU T H， QIN Z Z， WANG Y B， et al. The main progress of perovskite solar cells in 2020—2021［J］. Nano-Micro Letters， 2021， 13（1）： 152.
[4]	KOJIMA A， TESHIMA K， SHIRAI Y， et al. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells［J］. Journal of the American Chemical Society， 2009， 131（17）： 6050-6051.
[5]	ZHENG Y T， LI Y R， ZHUANG R S， et al. Towards 26% efficiency in inverted perovskite solar cells via interfacial flipped band bending and suppressed deep-level traps［J］. Energy & Environmental Science， 2024， 17（3）： 1153-1162.
[6]	RAI S， PANDEY B K， DWIVEDI D K. Modeling of highly efficient and low cost CH₃NH₃Pb（I_1- _x Cl _x ）₃ based perovskite solar cell by numerical simulation［J］. Optical Materials， 2020， 100： 109631.
[7]	PÉREZ-GUTIÉRREZ E， PERCINO M J， SANTOS P， et al. Compositional study of mixed halide perovskite films CH₃NH₃Pb（I_1- _x Br _x ）₃ and CH₃NH₃Pb（I_1- _x Cl _x ）₃ prepared by close space sublimation［J］. Materials Today Communications， 2020， 25： 101384.
[8]	SELIM M S， ELSEMAN A M， HAO Z F. ZnO nanorods： an advanced cathode buffer layer for inverted perovskite solar cells［J］. ACS Applied Energy Materials， 2020， 3（12）： 11781-11791.
[9]	DAS T， NAG R， RANA N K， et al. Effect of transition metal doping in the ZnO nanorod on the efficiency of the electron transport layer in semitransparent CsPbBr₃ perovskite solar cells［J］. Energy & Fuels， 2023， 37（14）： 10642-10651.
[10]	MAKENALI M， KAZEMINEZHAD I， ROGHABADI F A， et al. Efficiency improvement of perovskite solar cells by charge transport balancing using length tunable ZnO nanorods and optimized perovskite morphology［J］. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2021， 230： 111206.
[11]	VISHNUWARAN M， RAMACHANDRAN K， SAKTHIVEL P. An augmented lead-free Perovskite solar cell based on FASnI₃ using V₂O₅ as HTL［J］. Physica Scripta， 2024， 99（11）： 115029.
[12]	KUMAR K， GIRI P. Efficient solar trapping with vanadium oxide hole transport layer in perovskite solar cells［J］. Physica Scripta， 2025， 100（3）： 035531.
[13]	PARK H， JEONG S， KIM E， et al. Hole-transporting vanadium-containing oxide （V₂O_5- _x ） interlayers enhance stability of α-FAPbI₃-based perovskite solar cells （∼23%）［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2022， 14（37）： 42007-42017.
[14]	GULOMOVA I， ACCOUCHE O， ALIEV R， et al. Optimizing geometry and ETL materials for high-performance inverted perovskite solar cells by TCAD simulation［J］. Nanomaterials， 2024， 14（15）： 1301.
[15]	SMUCKER J， GONG J W. A comparative study on the band diagrams and efficiencies of silicon and perovskite solar cells using wxAMPS and AMPS-1D［J］. Solar Energy， 2021， 228： 187-199.
[16]	王传坤，陆成伟，欧阳雨洁，等. Sn基CH₃NH₃SnI₃钙钛矿太阳能电池性能计算与优化［J］. 人工晶体学报， 2023， 52（11）： 2076-2084.
	WANG C K， LU C W， OUYANG Y J， et al. Optimization and numerical simulation of Sn-based CH₃NH₃SnI₃ perovskite solar cell［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2023， 52（11）： 2076-2084 （in Chinese）.
[17]	PÉREZ-GUTIÉRREZ E， PERCINO M J， SANTOS P， et al. Compositional study of mixed halide perovskite films CH₃NH₃Pb（I_1- _x Br _x ）₃ and CH₃NH₃Pb（I_1- _x Cl _x ）₃ prepared by close space sublimation［J］. Materials Today Communications， 2020， 25： 101384.
[18]	ALBALAWI H， MUSTAFA G M， AZEEM W， et al. Optimization of power conversion efficiency of FTO/WS₂/Cs₂SnI₆/V₂O₅/Au Pb-free solar cell with all-inorganic transport layers［J］. Inorganic Chemistry Communications， 2025， 176： 114245.
[19]	AHMMED S， AKTAR A， RAHMAN M H， et al. Design and simulation of a high-performance CH₃NH₃Pb（I_1- _x Cl _x ）₃-based perovskite solar cell using a CeO _x electron transport layer and NiO hole transport layer［J］. Semiconductor Science and Technology， 2021， 36（3）： 035002.
[20]	ALAM I， MOLLICK R， ASHRAF MALI. Numerical simulation of Cs₂AgBiBr₆-based perovskite solar cell with ZnO nanorod and P3HT as the charge transport layers［J］. Physica B： Condensed Matter， 2021， 618： 413187.
[21]	BOUAZIZI S， TLILI W， BOUICH A， et al. Design and efficiency enhancement of FTO/PC60BM/CsSn_0.5Ge_0.5I₃/Spiro-OMeTAD/Au perovskite solar cell utilizing SCAPS-1D Simulator［J］. Materials Research Express， 2022， 9（9）： 096402.
[22]	MINEMOTO T， KAWANO Y， NISHIMURA T， et al. Theoretical analysis of band alignment at back junction in Sn-Ge perovskite solar cells with inverted p-i-n structure［J］. Solar Energy Materials and Solar Cells， 2020， 206： 110268.
[23]	DURODOLA O M， UGWU C， DANLADI E. Highly efficient lead-free perovskite solar cell based on magnesium-doped copper delafossite hole transport layer： a SCAPS-1D framework prospect［J］. Emergent Materials， 2023， 6（5）： 1665-1684.
[24]	BHATTARAI S， BARMAN P， BORAH A， et al. Efficiency enhancement of hybrid-solar cell by optimizing CuSCN and V₂O₅ based dual hole transport layer［J］. Solar Energy， 2024， 275： 112652.
[25]	SHOCKLEY W， QUEISSER H. Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells［J］. Journal of Applied Physics， 1961， 32（3）： 510-519.

基于新型V₂O₅空穴传输层的钙钛矿太阳能电池性能优化研究

Performance Optimization of Perovskite Solar Cells Based on the Novel Hole-Transport Layer V₂O₅

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 25

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	张淑艺, 刘庚灵, 王浩, 鲁跃, 姜显园, 李文焯, 刘聪, 吕英波, 武中臣, 刘董, 陈耀. 锡基钙钛矿晶体与器件的研究进展[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(7): 1189-1207.
[2]	黄成, 钱艳楠. 4-氯苯磺酸钠多功能添加剂实现高效碳基CsPbI₂Br太阳能电池[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(12): 2190-2199.
[3]	程友良, 杜慧彬, 张忠宝, 王凯. 二氧化锡基染料敏化太阳能电池电子传输模型优化及器件性能研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(9): 1629-1639.
[4]	赵娅, 庄众, 魏梦园, 蒋青松, 杨潇, 荀威, 刘雨昊. 富硫前驱体溶液对CuPbSbS₃太阳能电池光伏性能的影响研究[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(9): 1640-1647.
[5]	张博, 宋志成, 倪玉凤, 魏凯峰. 全TOPCon电池正面多晶硅层硼掺杂工艺[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(2): 329-335.
[6]	李宏, 廖鑫, 侯静, 徐众. 钙钛矿太阳能电池界面缺陷及其抑制方法[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(1): 38-50.
[7]	余纳, 许从艳, 李秋莲, 陈玉飞, 赵永刚, 周志能, 杨鑫, 王书荣. 少量锗的加入对铜锌锡硒薄膜及其器件性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(3): 460-466.
[8]	黄孝坤, 杨爱军, 黎健生, 江琳沁, 邱羽. 基于CuS空穴传输材料的钙钛矿电池的性能研究[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(3): 485-492.
[9]	吴忠航, 孙斌, 黄钢, 屈骞, 唐懿文, 孙九爱. 碲锌镉器件技术进展及其在SPECT中的应用[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(2): 196-207.
[10]	卢辉, 温谦, 王佳棋, 沙思淼, 王康, 孙伟东, 吴建栋, 马金福, 侯春平, 盛之林, 冯伟光. 基于ZnO电子传输层钙钛矿太阳能电池的研究进展[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(2): 208-219.
[11]	王传坤, 陆成伟, 欧阳雨洁, 张胜军, 郝艳玲. Sn基CH₃NH₃SnI₃钙钛矿太阳能电池性能计算与优化[J]. 人工晶体学报, 2023, 52(11): 2076-2084.
[12]	徐亚东. 晶体人生丨陶绪堂:从有机-无机复合材料走进多彩晶体世界[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(9-10): 1519-1522.
[13]	卢辉, 李彤, 温谦, 沙思淼, 马思敏, 薛晓洋, 王康, 盛之林, 马金福. 水杨酸的添加对全无机锡铅混合钙钛矿太阳能电池的影响[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(8): 1387-1395.
[14]	张博, 蔺明宇, 孙淑艳, 罗新泽. SiW₁₂、CsPbI₃协同提高TiO₂纳米管光电转换效率的研究[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(6): 1034-1041.
[15]	任锦涛, 陈青, 霍宇, 吴治昕, 余春燕, 翟光美. 钝化剂乙酰水杨酸对钙钛矿太阳能电池性能影响的研究[J]. 人工晶体学报, 2022, 51(6): 1042-1050.