2024年 革新钙钛矿太阳电池性能:Voc损失分析的重要性!_PART2

更新时间:2024-03-27      点击次数:431

了解 Voc 损耗分析

当我们深入研究太阳能电池效率领域时,我们会发现开路电压 (Voc) 损耗的研究显然处于当前研究的前沿。但在我们解决 Voc 损失之前,我们需要充分了解它到底意味着什么。

让我们剥开层层,从太阳能电池的基本原理开始。太阳能电池是由 n 型和 p 型半导体组成的分层三明治,共同作用以利用光。当能量超过半导体带隙的光子撞击电池时,它们被吸收,产生我们所说的电子空穴对。完整的过程涉及四个关键阶段:光子的吸收、光载流子(电子和空穴)的产生、它们在电池中的传输,以及最后它们在电极处的收集,从而产生电流。

将太阳能电池想象成一个繁忙的机场:光子是入境航班(吸收),乘客是电子和空穴(光载流子生成),机场的布局是路径(运输),出口是电极(收集)。每个部分都必须顺利工作,以确保乘客(或者在我们的例子中是电量)有效地到达目的地。

图6. 太阳能电池概念及太阳能电池能带图 (引自:台大电机系,太阳能电池原理与应用)。


图 6 阐明了太阳能电池的基本概念和内部工作原理。在左侧,我们看到了太阳能电池的简化表示,其中有太阳投射的光线。当光子撞击电池时,它们会穿透半导体层 - 一个“n 型"半导体层具有丰富的电子,另一个“p 型"半导体层富含“空穴"或缺乏电子。正是在这个连接处,奇迹发生了:光子为电子提供能量,产生电子和空穴对,它们是发电的关键因素。

该图的右侧显示了太阳能电池的能带图,类似于电子在电池内旅程的详细地图。该图分解了所涉及的复杂能量舞蹈,从光子的最初吸收到电子在材料中的释放和运动。它说明了引导电子流向电极的势垒和电场,从而导致电流流过外部电路。

国立中国台湾大学电气工程系的这张图概括了从光子到电流的过程,是了解太阳能电池如何将阳光转化为可用能量的重要参考。这是电子穿过的潜在景观的快照,这种景观旨在引导这些带电粒子有效地通过系统,最大限度地减少损失并输出——这是太阳能电池技术的核心。

现在,外部量子效率(EQE)就像机场的效率等级;它测量到达的光子与离开外部电路的电子的比率。EQE 光谱是从到达到离开整个旅程的快照,描绘了太阳能电池将光子转换为电流的能力。

在理想的世界中,太阳能电池将以零浪费的方式转换能量,就像没有延误的机场一样,每次光子到达都会导致电子离开,从而实现 100% EQE。但现实更为复杂,一些非辐射路径就像计划外的停留一样,导致能量损失——可怕的 Voc 损失。

了解 Voc 损耗是完善太阳能电池设计的关键。正是这些损失影响了我们的效率,通过研究它们,我们可以努力为我们的光子乘客提供更多的直飞航班,优化我们的太阳能电池机场,以实现更清洁、更高效能源的未来。

钙钛矿太阳能电池实现超高效率的挑战

克服钙钛矿太阳能电池超高效率的障碍就像解决一个复杂的难题,其中每个部分都发挥着至关重要的作用。与无机光伏电池不同,钙钛矿等有机光伏电池尽管具有出色的内部量子效率,但通常表现出较低的外部量子效率 (EQE),徘徊在 70% 左右。这种差异主要是由于它们的活性层很薄,厚度约为 100 nm,无法有效地吸收所需的光。

此外,这些细胞容易受到一系列稳定性问题的影响。它们可能会遭受氧化和还原降解、重结晶,并且对温度变化敏感,导致性能随着时间的推移而下降。不同成分之间的降解速度和程度可能存在显着差异,这使其成为正在进行的研究的温床。

还需要考虑固有的材料特性,例如激子扩散长度、电荷分离和收集效率。这些因素可能会受到杂质的严重影响,而杂质在制造过程中通常是不可避免的。

研究人员正在力于通过关注载流子迁移率和传输、薄膜形态和受控生长异质结等领域来改进有机光伏(OPV)。真空热蒸发和有机气相沉积等技术正在不断完善,而有机太阳能墨水和光捕获策略等创新技术正在开发中。一些人正在探索在串联光伏系统中使用 OPV,甚至这些材料的机械行为也正在接受审查。

为了有效评估和改进这些进步,有机太阳能研究中出现了两个关键问题:我们如何实现精确测量?我们如何快速计算和解释这些测量的热力学和复合损失?解决这些问题是推动该领域发展的核心。

在这里,Enlitech 的用于钙钛矿和有机光伏 Voc 损耗分析的 REPS 系统成为了希望的灯塔。这个综合系统使科学家能够以创新的精度和轻松测量、计算和分析 Voc 损失。凭借检测超低 EL-EQE 信号并计算各种形式的 Voc 损耗的能力,REPS 正在改变我们应对这些挑战的方式。其先进的软件 SQ-VLA 可以在统一的直方图中分析不同设备的能量损失,从而简化研究过程。通过提供快速、准确的测试数据和分析,REPS不仅节省了宝贵的研究时间,还消除了计算中可能出现的人为错误,从而推动该领域朝着实现钙钛矿太阳能电池超高效率的梦想迈进。

图7. Enlitech的有机和有机光伏Voc损耗分析系统(REPS)用于分析和改善有机太阳能电池的损耗,该系统产生的研究成果可以无缝集成并快速在期刊上发表。

Voc 损失分析的系统方法

Shockley-Queisser (SQ) 极限由物理学家 William Shockley 和 Hans Queisser 建立,可作为理解平衡条件下太阳能电池最大效率的理论框架。根据 SQ 限制,太阳能电池的效率受到三种主要类型的开路电压 (Voc) 损耗的限制。

首先,是 ΔV₁ 或热力学损失,它源于启动电子从价带移动到导带所需的基本能量。这就像你开始推动汽车上坡所需的能量。

然后我们得到 ΔV2,即辐射损失。发生这种情况是因为太阳能电池不仅吸收光,而且还发射光,就像光子既进又出的双向街道一样。当电池与其周围环境达到平衡时,一些能量会辐射回来,这一不可避免的过程导致了第二次电压损失。

最后,ΔV₃代表非辐射损耗。这些是由于细胞内其他过程造成的损失,例如声子相互作用,其中能量不是以光的形式发射,而是以热的形式消散。这类似于汽车所经历的摩擦——你看不到它,但它会减慢你的前进速度。

通过应用 SQ 极限理论,我们可以精确剖析 Voc 损失过程,将每个损失能量量子归因于其各自的原因。了解这些损耗不仅可以启发我们了解能量的去向,还可以指导我们通过具体解决每种类型的损耗来设计更高效的太阳能电池。该理论对于将太阳能电池的性能边界推向理想极限至关重要。

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图8 SQ平衡极限理论的热力学损失、辐射复合损失和非辐射复合损失的能级示意图。


图 8 显示了根据 Shockley-Queisser (SQ) 平衡极限理论的能级示意图,该理论阐明了太阳能电池中电压损耗的性质。在顶部,我们看到带隙能量 (Eg),即将电子从价带提升到导带所需的能量,在导带中电子可以产生电流。

该图描绘了三种类型的电压损耗:

  1. 热力学损失 (ΔE1),是将光子转换为电荷载流子过程中固有的基本能量损失。它被描述为带隙能量和热力学开路电压 (qVoc^SQ) 之间的差异。

  2. 辐射复合损失 (ΔE2),此处表示为热力学 Voc 和辐射复合 Voc (qVoc^rad) 之间的差距。这种损失解释了由于电子-空穴复合而发射光子时所耗散的能量。

  3. 非辐射复合损耗 (ΔE3),即通过其他路径(例如振动或热量)损失的能量,这些路径不会导致光子发射。它由辐射复合 Voc 和实际 Voc (qVoc) 之间的差距来表示。

在能级表示下方,该图提供了计算每种情况各自 Voc 值的方程。热力学 Voc (Voc^SQ) 是根据短路电流密度 (Jsc) 和饱和电流密度 (Jsq) 的平衡得出的,考虑到玻尔兹曼常数 (k0)、绝对温度 (T) 和电荷电子(q)。同样,辐射 (Voc^rad) 和实际 Voc 考虑了辐射 (Jrad) 和二极管 (Jd) 过程各自的电流密度。

这种视觉和数学描述对于研究人员和工程师来说至关重要,因为他们努力最大限度地减少这些损失并使太阳能电池效率接近 SQ 极限。

图9. 对于辐射复合损耗和非辐射复合损耗的相关机制的解释和理解,读者可以参考Adv. 能源材料。2017, 1602358。这篇论文有关于各种缺陷引起的Voc损失机制的更多详细信息。


图 9 提供了太阳能电池中辐射和非辐射复合损失所涉及机制的说明性分解,2017 年发表的《先进能源材料》杂志对此进行了详细解释。

(a) 描绘了导带 (CB) 中的电子与价带 (VB) 中的空穴的辐射复合,导致光子 (ψem) 的发射。该过程导致热力学极限,并且是吸收材料行为的固有部分。

(b) 显示非辐射直接电子空穴复合,这是一种不希望的损失,可以通过更换空穴传输材料 (HTM) 并向太阳能电池添加钝化层来减轻。

(c) 说明了通过缺陷进行的复合,例如肖克利-雷德霍尔 (SRH) 复合,其中载流子被捕获,然后在不贡献电流的情况下复合。这里的解决方案涉及使用更纯净、无缺陷的材料。

(d) 概述了表面的复合,特别是在不正确的电极(如金、Au,如图所示)处,可以通过钝化表面以减少电荷载流子和电极之间的接触面积来避免这种复合。

最后的机制(如右侧所示)是俄歇复合,其中电子-空穴复合事件导致另一个电子跃迁到更高的能级,导致能量损失而没有有用的能量输出。该过程与材料特性有关,最好通过选择适当的半导体材料来避免。

对于寻求更深入了解各种缺陷导致的 Voc 损失机制的读者,Advanced Energy Materials 中引用的文章对这些现象及其对太阳能电池效率的影响进行了广泛的探索。


待续:2024年 革新钙钛矿太阳电池性能:Voc损失分析的重要性!_PART3


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