2024年 革新钙钛矿太阳电池性能:Voc损失分析的重要性!_PART1

更新时间:2024-03-25      点击次数:147

在本文中,我们将仔细研究 Voc 损失分析,这是提高钙钛矿太阳能电池效率的关键技术。我们将首先解释什么是 Voc 损耗分析,以及为什么它对于克服在这些电池中实现超高效率的挑战如此重要。然后,我们将指导您逐步完成如何有效地执行此分析。但这不仅仅是理论——我们还将向您展示如何在实际情况中使用 Voc 损耗分析以及它所产生的真正影响。最后,我们将为希望在工作中实施这些技术的研究人员推荐一些工具和仪器。无论您是经验丰富的研究人员还是该领域的新手,本文旨在为令人兴奋的钙钛矿太阳能电池研究世界提供清晰、有用的见解。

介绍

简要概述 Voc 损失分析在钙钛矿太阳能电池研究中的重要性和影响。

在寻求提高钙钛矿太阳能电池(PSC)效率的过程中,科学界取得了重大进展,特别是在了解和减少开路电压(Voc)损失方面。本简介概述了PSC从早期研究到最近取得突破的非凡历程,重点介绍了韩国UNIST和香港城市大学朱宗龙教授团队的关键贡献。随着ferrocenyl-bis-thiophene-2-carboxylate (FcTc2) 等先进材料的发挥作用,提高 Voc 和整体电池性能,效率记录被打破。这些里程碑以 Enlitech 的 REPS 等系统的精确分析能力为基础,为下一代 PSC 铺平了道路。它们有望提高稳定性和效率,有可能改变太阳能领域。本简介为更深入地了解推动该领域发展的创新技术和材料奠定了基础。

图 1 突出显示了越来越多的科学论文专注于使用 Voc 损耗分析来提高钙钛矿太阳能电池的效率。该图显示自 2015 年以来人们的兴趣明显上升,出版物数量逐年稳步增加。2019 年和 2020 年左右,这种上升趋势明显暂停。然而,研究在 2021 年出现反弹,论文数量显着增加了一倍。2022 年的早期数据表明,这一势头不仅得以维持,而且到年底产量可能会比 2021 年翻一番。这种上升趋势突显了人们对 Voc 损耗分析作为提高太阳能电池性能的方法的巨大兴趣并日益增长。

让我们快速回顾一下对开路电压 (Voc) 损耗的理解是如何演变的,以及为什么它在当今的钙钛矿太阳能电池研究中至关重要。

在 2018 年 ACS Photonics 发表的一篇开创性文章中,Nam-Gyu Park 和 Hiroshi Sekawa 探索了钙钛矿太阳能电池的潜在效率。他们强调了一项重大成就:这些电池的短路电流密度(Jsc)几乎达到理论峰值,达到其最大预期值的 97%。然而,Voc 却落后了,仅达到理论极限的 77% 左右。与高效砷化镓 (GaAs) 太阳能电池(其中 Voc 已达到其极限的 95%)相比,很明显,提高 Voc 是释放钙钛矿太阳能电池全部潜力的关键。

作者认为,重点关注增加 Voc(从本质上减少其损失)应该成为研究的重点,而不是让 Jsc 更接近其极限。他们提出,描述 Voc 损耗的详细理论模型,再加上一套用于分析这种损耗的精确测量工具,可以显着推动钙钛矿太阳能电池研究的发展。

图 2 显示了钙钛矿太阳能电池通过提高短路电流密度 (Jsc) 或最小化开路电压 (Voc) 损失来实现更高能量转换效率的途径。该图表来自 ACS Photonics,表明通过关注这两个参数,钙钛矿太阳能电池正在迅速接近其理论最大效率。值得注意的是,钙钛矿与砷化镓(GaAs)一起标记以比较它们的性能,表明钙钛矿在太阳能电池技术中的巨大潜力。如需了解更多详细信息,请参阅 2018 年 7 月 2 日出版的 ACS Photonics 期刊。

2019年以来,钙钛矿太阳能电池研究领域对“开路电压"的关注稳步增长。现在人们普遍认识到,最大限度地减少 Voc 损失是提高电池效率的关键策略。以 2019 年的一项里程碑式成就为例:《Nature Photonics》发表了一项关于钙钛矿太阳能电池的研究,创下了 23.2% 的新世界纪录。该研究强调了以减少 Voc 损失为中心的策略。

该团队利用Enlitech的ELCT3011和REPS钙钛矿光伏Voc损耗分析系统来测量Voc的非辐射复合损耗。通过将光谱分析与热力学原理相结合,他们能够证实 PEAI 对钙钛矿薄膜的钝化效果。这种钝化导致 Voc 增加,从而提高钙钛矿太阳能电池的整体转换效率。

图 3 展示了通过专注于减少 Voc 损耗来提高钙钛矿太阳能电池能量转换效率的里程碑式成就。Nature Photonics 详细介绍了 2019 年的这一突破,展示了一种钙钛矿太阳能电池,它不仅降低了 Voc 消耗,而且实现了接近理论最大值的短路电流密度 (Jsc),达到了可能极限的 95%。这项研究的策略和结果为表面钝化技术提供了宝贵的见解,展示了它们在优化电池性能方面的有效性。

图 4 突出了 2020 年 9 月 25 日《科学》杂志报道的一个显着里程碑:稳定的钙钛矿太阳能电池的诞生,其不仅效率超过 24.8%,而且电压损失最小,仅为 0.3 伏。这一成就强调了旨在减少 Voc 损失的创新策略的有效性,标志着太阳能转换领域的重大进步。

2020 年,韩国蔚山国立科学技术研究院 (UNIST) 的一个团队凭借其高效钙钛矿太阳能电池成为头条新闻,该电池在仅 0.3 V 电压损失的情况下实现了令人印象深刻的 24.8% 能量转换效率,如科学杂志。他们策略的关键是优化开路电压 (Voc)。他们采用 Enlitech ELCT3010 系统(现称为 Enlitech REPS 钙钛矿光伏 Voc 损耗分析系统)来精确测量和分析钙钛矿太阳能电池的 Voc 损耗特性。

另一项突破是,香港城市大学朱宗龙教授及其团队因创新使用二茂铁基双噻吩-2-羧酸酯 (FcTc2) 而于 2022 年 4 月登上《科学》杂志。这种化合物为钙钛矿太阳能电池稳定高效界面材料的开发提供了新的见解。二茂铁衍生物结合了有机和无机材料的优点,充当双功能界面层,显着减少钙钛矿太阳能电池界面的非辐射复合,同时增强电荷转移。

利用 Enlitech ELCT-3010 系统和其他工具,研究人员可以通过结合 FcTc2 接口来提高太阳能电池的 Voc 和填充因子 (FF)。这使得倒置钙钛矿太阳能电池的效率达到破纪录的 25%,认证效率为 24.3%。值得注意的是,这些电池在模拟 AM1.5 照明条件下运行 1500 小时后仍保持了 98% 的初始效率。它们还经受了湿热环境下严格的稳定性测试,符合国际 IEC 61215:2016 标准。

图 5 直观地总结了朱教授的研究在 PSC 性能方面取得的重大进展。(A) JV 曲线说明了性能最佳 PSC 的电流和电压特性,将具有 FcTc2 层的器件与不具有 FcTc2 层的器件进行了比较。(B) EQE 光谱显示了器件将不同波长的光转换为电能的效率,以及计算出的具有和不具有 FcTc2 的器件的电流密度。(C) 该图显示了使用 FcTc2 增强的 PSC 在最大功率点 (MPP) 处随时间的稳定功率输出。(D) 直方图表示 30 个器件样本中功率转换效率 (PCE) 值的分布情况,突出显示 FcTc2 处理后的性能提升。(E) EQE-EL 值表示 PSC 作为发光二极管 (LED) 的效率,根据不同的电流密度绘制,以便在 FcTc2 处理和未处理的器件之间进行比较。(F) 具有 FcTc2 的 PSC(充当 LED)的 EL 光谱显示了不同波长的发射光强度,峰值位于 806 nm 左右。

Enlitech 的 REPS 系统是一款复杂的工具,擅长捕获最微小的 EL-EQE 信号,检测低至千万分之一的电平。得益于其 SQ-VLA 软件,它能够计算各种形式的开路电压:从热力学 Voc 到辐射和非辐射复合 Voc。系统并不止于此;它还可以使用单个直方图来比较和对比不同设备之间的能量损失,称为 ΔE1、ΔE2 和 ΔE3。

REPS 系统真正具有变革性的是其分析软件,它将理论 Voc 损耗计算与设备 IV 曲线中观察到的实际 Voc 损耗保持一致。这种一致性对于希望加深理解、提高工作精度并最终为学术出版物和太阳能电池技术进步做出贡献的研究人员至关重要。


待续:2024年 革新钙钛矿太阳电池性能:Voc损失分析的重要性!_PART2


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