2024年 革新钙钛矿太阳电池性能:Voc损失分析的重要性!_PART4

更新时间:2024-03-29      点击次数:422

实际应用:超越理论

真实世界的示例和案例研究展示了 Voc 损耗分析系统的实际应用。

钙钛矿太阳能电池研究领域充满了旨在提高电池效率的研究,而 Voc 损失分析系统在这一探索中发挥着关键作用。为了更深入地了解研究人员如何利用这些系统,我们整理了一系列开创性论文,展示了 Voc-loss 分析的实际应用。

这些精选文章是了解科学家为剖析和减轻开路电压损耗而采用的创新方法的窗口。他们提供了对可切实改善钙钛矿太阳能电池性能的策略的见解。例如,研究人员深入研究材料特性的复杂性,仔细研究不同成分如何影响 Voc 损失。他们探索了新制造技术的影响,这些技术增强了电池的结构完整性,从而减少了非辐射复合损失。

除了材料和结构改进之外,文章还讨论了器件架构的微调,例如层厚优化和界面工程,这些直接影响热力学和辐射损耗。一些研究甚至超出了电池级别,扩展到系统集成,研究 Voc 损耗分析如何为更高效的太阳能模块和阵列的开发提供信息。

这些文章中揭示的 Voc 损耗分析系统的实际应用是多种多样的,从基础研究延伸到先进的工程解决方案。通过了解这些研究中详述的成功方法,研究人员和工程师可以复制并借鉴这些方法,推动钙钛矿太阳能电池技术领域迈向更高效、更可持续的未来。

应用实例-01

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图14:2021年9月,《先进功能材料》(影响因子:18.808)刊登了北京航空航天大学的研究成果,证明最大限度地减少非辐射复合损耗(ΔV3)可以显着提高太阳能电池的功率转换效率(PCE)。


图 14 显示了北京航空航天大学发表的一项研究成果,该研究成果刊登在影响因子为 18.808 的期刊《Advanced Function Materials》2021 年 9 月号上。该研究强调了热老化前驱体溶液促进高效稳定的准二维钙钛矿太阳能电池的开发。

这些太阳能电池的表征包括使用 Keithley 2400 源表在模拟单太阳 AM 1.5G 照明下获得的 JV(电流-电压)曲线,以及通过 Enlitech SS-F5-3A 太阳模拟器校准的光强度。使用 Enlitech OE-R3011 太阳能电池光谱响应测量系统测量外部量子效率 (EQE) 光谱。这种高精度 EQE 数据是在空气中捕获的,无需封装,使用带有标准硅二极管的集成系统(PECT-600,Enlitech),确保光电流的精确调制和放大。

研究强调,通过减少非辐射复合损耗(记为ΔV3),可以显着提高钙钛矿太阳能电池的功率转换效率(PCE)。这一发现至关重要,因为它强调了解决非辐射损耗以突破太阳能电池性能极限的重要性。该论文进一步巩固了先进材料和精密测量在光伏技术不断发展中的作用。

拓展稳定性之路:增强 3D 和准 2D 钙钛矿太阳能电池的商业可行性

虽然 3D 钙钛矿太阳能电池 (PSC) 已实现高达 25.5% 的功率转换效率 (PCE),但其商业化进程却因固有的稳定性问题而受到阻碍。在这种背景下,Ruddlesden-Popper 准二维钙钛矿以其材料稳定性和可定制的特性成为有前途的替代品。尽管有这些优点,准 2D PSC 仍遇到了电压损耗较高的挑战,与 3D PSC 相比,这限制了其 PCE。

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图15展示了研究团队使用Enlitech先进设备测量的准二维钙钛矿太阳能电池的层状结构以及相应的电学和光学性能特征。层状结构(a)显示了太阳能电池的组成,包括带隙约为1.60 eV的钙钛矿层(AA)2MA4Pb5I16,这有助于实现高效太阳能转换。图(b)可能呈现了太阳能电池的电流密度-电压(JV)曲线,比较了使用不同前体溶液(例如新鲜前体溶液(FPS)与热老化前体溶液(TAPS))制备的电池的性能。该图可能表明经过 TAPS 处理的电池表现出改善的 JV 特性,从而导致更高的开路电压。图(c)可能显示太阳能电池的外量子效率(EQE)光谱和相应的电流密度。这些测量对于了解太阳能电池如何有效地将不同波长的光转换为电能至关重要。FPS 和 TAPS 处理之间 EQE 的差异可以突出前体溶液老化过程对器件性能的影响。

针对这一问题,影响因子为18.808的《先进功能材料》于2021年9月发表了北京大学的一项关键研究。该研究团队使用热老化前驱体溶液(TAPS)来解决二维PSC的电压损失困境。

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图 16 利用 Enlitech 先进的仪器套件(包括太阳模拟器、QE-R 量子效率测量系统和 FTPS 傅立叶变换光电流系统),研究人员开始进行深入分析。他们的研究表明,带隙约为 1.60 eV 的 (AA)2MA4Pb5I16 (n=5) 准二维钙钛矿吸收体实现了破纪录的 1.24 V 开路电压,将 PCE 提升至惊人的 18.68%。

该研究揭示了材料属性和薄膜质量之间错综复杂的相互作用,明确指出非辐射复合损耗 ΔVoc 的减少是增强 Voc 以及 PCE 的关键因素。研究人员发现,对溶液进行热老化会促进胶体聚集,从而减少成核位点的数量。该过程最终形成高品质准二维钙钛矿薄膜,其特征在于致密的形态、最佳的晶体取向和最小的陷阱密度。

此外,改进的薄膜质量显着增强了 PSC 的热稳定性。这种增强很大程度上归因于银电极腐蚀的有效减少,这种腐蚀通常因离子迁移而加剧。这种创新方法不仅提高了准二维PSC的性能,而且标志着实现高效耐用的钙钛矿光伏器件的重大进步。正如研究表明的那样,这些进步可以在更广泛的能量转换技术领域发挥关键作用,标志着在同等程度上支持效率和稳定性的处理方法的新方向。

应用实例-02

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图 17 Science 期刊文章详细介绍了铷阳离子对钙钛矿太阳能电池性能的影响,显示通过减少非辐射复合损失提高了效率。


《科学》期刊文章讨论了通过将铷阳离子掺入钙钛矿太阳能电池来增强光伏性能。该文章可能详细介绍了实验结果,证明添加铷如何提高太阳能电池的效率。

在图 17 中,通常有一条 JV 曲线(电流密度与电压的关系图),该曲线显示了掺入铷的太阳能电池与不含铷的对照样品相比的电气特性。此外,电致发光(EL)效率图将显示电流通过时电池如何发光,这与电池无损失地重组电荷的能力直接相关。第三张图通常说明外部量子效率(EQE),测量细胞在不同波长的光下将光子转换为电子的能力。

此类研究强调了理解和最小化开路电压损失(尤其是非辐射复合引起的开路电压损失)的重要性,以突破钙钛矿太阳能电池的效率界限。此类研究的结果对于指导钙钛矿太阳能电池的未来设计和材料成分以提高性能和稳定性至关重要。

应用实例-03

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图 18 《Nature Photonics》关于通过表面钝化提高钙钛矿太阳能电池效率的文章,说明了解决开路电压损耗和电致发光效率的关键作用。


在《Nature Photonics》上发表的论文“Surface passivation of perovskite film for effective Solar cells"中,利用了 Voc-loss 分析方法。研究人员在了解钙钛矿太阳能电池的高效运行方面取得了重大进展。该方法将电压损耗分解为三个关键部分:热力学损耗、辐射损耗和非辐射损耗,如 Shockley-Queisser 极限所述。Nature Photonics 的图像直观地传达了这些概念,显示了 EL 光谱,表明电池在不损失能量的情况下将光转化为电能的程度。通过分析不同电压下的光谱,研究人员可以辨别钙钛矿薄膜的质量和表面钝化的功效,这与非辐射损耗的减少直接相关,从而提高整体效率。这种综合方法不仅加深了对钙钛矿电池行为的理解,而且推动了先进钙钛矿太阳能电池技术的发展。

应用实例-04

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Voc-loss分析方法是研究人员开发高效钙钛矿太阳能电池的重要工具。正如能源与环境科学的图片所示,“电子传输层的能级工程,用于提高染料和钙钛矿基太阳能电池的开路电压",该方法涉及详细的电致发光(EL)测量,这是至关重要的识别电压损失。左图显示了 EL 强度,可深入了解不同施加电压下的电荷复合效率。右图显示了电流-电压关系,其中曲线位移表明由于能级工程而导致开路电压的改善。这种分析使研究人员能够微调电子传输层,直接解决非辐射损失,以提高整体电池性能并推动技术向前发展。

Voc 损耗分析仪器

为了追求先进的太阳能电池技术,特别是 Voc 损耗的研究,有一些关键的精密仪器可以作为综合分析的重要工具:

  1. 高灵敏度外部量子效率测量工具 (FTPS)

    – 该工具以灵敏度开发,在测量外部量子效率 (HS-EQE) 中发挥着至关重要的作用。它对于揭示亚带隙吸收事件和表征太阳能电池的损耗尤为重要,使研究人员能够获得更准确的分析和结果。

  2. Voc 损耗分析系统 (REPS)

    – REPS 系统专为解决钙钛矿和有机光伏电池中的 Voc 损耗分析而设计,其对 Voc 损耗的精确测量有助于优化太阳能电池效率。该系统为那些旨在完善和改进太阳能电池技术研究的人们提供了宝贵的工具。

  3. 集成 Voc 损耗分析软件 (SQ-VLA)

    – SQ-VLA 软件是一款全面的解决方案,可与上述工具无缝集成,为详细的 Voc 损耗分析提供直观的界面。这一重要工具旨在帮助研究人员努力了解和提高太阳能电池的性能。

这些精密仪器共同构成了太阳能电池分析的强大工具包。它们使研究人员能够有效识别 Voc 损失来源并制定有效的改进策略。有关这些仪器的详细规格和使用信息,建议参阅提供的产品页面。请记住,在太阳能电池研究领域,精度和准确性是关键,而这些工具的作用就是为了促进这一点。


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