詳細(xì)解釋什么是 Voc-loss 分析及其對(duì)太陽(yáng)能電池效率的重要性。
當(dāng)我們深入研究太陽(yáng)能電池效率領(lǐng)域時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)開路電壓 (Voc) 損耗的研究顯然處于當(dāng)前研究的前沿。但在我們解決 Voc 損失之前，我們需要充分了解它到底意味著什么。
讓我們剝開層層，從太陽(yáng)能電池的基本原理開始。太陽(yáng)能電池是由 n 型和 p 型半導(dǎo)體組成的分層三明治，共同作用以利用光。當(dāng)能量超過(guò)半導(dǎo)體帶隙的光子撞擊電池時(shí)，它們被吸收，產(chǎn)生我們所說(shuō)的電子空穴對(duì)。完整的過(guò)程涉及四個(gè)關(guān)鍵階段：光子的吸收、光載流子（電子和空穴）的產(chǎn)生、它們?cè)陔姵刂械膫鬏敚约白詈笏鼈冊(cè)陔姌O處的收集，從而產(chǎn)生電流。
將太陽(yáng)能電池想象成一個(gè)繁忙的機(jī)場(chǎng)：光子是入境航班（吸收），乘客是電子和空穴（光載流子生成），機(jī)場(chǎng)的布局是路徑（運(yùn)輸），出口是電極（收集）。每個(gè)部分都必須順利工作，以確保乘客（或者在我們的例子中是電量）有效地到達(dá)目的地。
圖6. 太陽(yáng)能電池概念及太陽(yáng)能電池能帶圖 （引自：臺(tái)大電機(jī)系，太陽(yáng)能電池原理與應(yīng)用）。
圖 6 闡明了太陽(yáng)能電池的基本概念和內(nèi)部工作原理。在左側(cè)，我們看到了太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)化表示，其中有太陽(yáng)投射的光線。當(dāng)光子撞擊電池時(shí)，它們會(huì)穿透半導(dǎo)體層 - 一個(gè)“n 型"半導(dǎo)體層具有豐富的電子，另一個(gè)“p 型"半導(dǎo)體層富含“空穴"或缺乏電子。正是在這個(gè)連接處，奇跡發(fā)生了：光子為電子提供能量，產(chǎn)生電子和空穴對(duì)，它們是發(fā)電的關(guān)鍵因素。
該圖的右側(cè)顯示了太陽(yáng)能電池的能帶圖，類似于電子在電池內(nèi)旅程的詳細(xì)地圖。該圖分解了所涉及的復(fù)雜能量舞蹈，從光子的最初吸收到電子在材料中的釋放和運(yùn)動(dòng)。它說(shuō)明了引導(dǎo)電子流向電極的勢(shì)壘和電場(chǎng)，從而導(dǎo)致電流流過(guò)外部電路。
國(guó)立中國(guó)臺(tái)灣大學(xué)電氣工程系的這張圖概括了從光子到電流的過(guò)程，是了解太陽(yáng)能電池如何將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為可用能量的重要參考。這是電子穿過(guò)的潛在景觀的快照，這種景觀旨在引導(dǎo)這些帶電粒子有效地通過(guò)系統(tǒng)，最大限度地減少損失并輸出——這是太陽(yáng)能電池技術(shù)的核心。
現(xiàn)在，外部量子效率（EQE）就像機(jī)場(chǎng)的效率等級(jí)；它測(cè)量到達(dá)的光子與離開外部電路的電子的比率。EQE 光譜是從到達(dá)到離開整個(gè)旅程的快照，描繪了太陽(yáng)能電池將光子轉(zhuǎn)換為電流的能力。
在理想的世界中，太陽(yáng)能電池將以零浪費(fèi)的方式轉(zhuǎn)換能量，就像沒(méi)有延誤的機(jī)場(chǎng)一樣，每次光子到達(dá)都會(huì)導(dǎo)致電子離開，從而實(shí)現(xiàn) 100% EQE。但現(xiàn)實(shí)更為復(fù)雜，一些非輻射路徑就像計(jì)劃外的停留一樣，導(dǎo)致能量損失——可怕的 Voc 損失。
了解 Voc 損耗是完善太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。正是這些損失影響了我們的效率，通過(guò)研究它們，我們可以努力為我們的光子乘客提供更多的直飛航班，優(yōu)化我們的太陽(yáng)能電池機(jī)場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)更清潔、更高效能源的未來(lái)。
探索鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率提升的關(guān)鍵痛點(diǎn)和障礙。
克服鈣鈦礦太陽(yáng)能電池超高效率的障礙就像解決一個(gè)復(fù)雜的難題，其中每個(gè)部分都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。與無(wú)機(jī)光伏電池不同，鈣鈦礦等有機(jī)光伏電池盡管具有出色的內(nèi)部量子效率，但通常表現(xiàn)出較低的外部量子效率 (EQE)，徘徊在 70% 左右。這種差異主要是由于它們的活性層很薄，厚度約為 100 nm，無(wú)法有效地吸收所需的光。
此外，這些細(xì)胞容易受到一系列穩(wěn)定性問(wèn)題的影響。它們可能會(huì)遭受氧化和還原降解、重結(jié)晶，并且對(duì)溫度變化敏感，導(dǎo)致性能隨著時(shí)間的推移而下降。不同成分之間的降解速度和程度可能存在顯著差異，這使其成為正在進(jìn)行的研究的溫床。
還需要考慮固有的材料特性，例如激子擴(kuò)散長(zhǎng)度、電荷分離和收集效率。這些因素可能會(huì)受到雜質(zhì)的嚴(yán)重影響，而雜質(zhì)在制造過(guò)程中通常是不可避免的。
研究人員正在致力于通過(guò)關(guān)注載流子遷移率和傳輸、薄膜形態(tài)和受控生長(zhǎng)異質(zhì)結(jié)等領(lǐng)域來(lái)改進(jìn)有機(jī)光伏（OPV）。真空熱蒸發(fā)和有機(jī)氣相沉積等技術(shù)正在不斷完善，而有機(jī)太陽(yáng)能墨水和光捕獲策略等創(chuàng)新技術(shù)正在開發(fā)中。一些人正在探索在串聯(lián)光伏系統(tǒng)中使用 OPV，甚至這些材料的機(jī)械行為也正在接受審查。
為了有效評(píng)估和改進(jìn)這些進(jìn)步，有機(jī)太陽(yáng)能研究中出現(xiàn)了兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)精確測(cè)量？我們?nèi)绾慰焖儆?jì)算和解釋這些測(cè)量的熱力學(xué)和復(fù)合損失？解決這些問(wèn)題是推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的核心。
在這里，Enlitech 的用于鈣鈦礦和有機(jī)光伏 Voc 損耗分析的 REPS 系統(tǒng)成為了希望的燈塔。這個(gè)綜合系統(tǒng)使科學(xué)家能夠以創(chuàng)新的精度和輕松測(cè)量、計(jì)算和分析 Voc 損失。憑借檢測(cè)超低 EL-EQE 信號(hào)并計(jì)算各種形式的 Voc 損耗的能力，REPS 正在改變我們應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的方式。其先進(jìn)的軟件 SQ-VLA 可以在統(tǒng)一的直方圖中分析不同設(shè)備的能量損失，從而簡(jiǎn)化研究過(guò)程。通過(guò)提供快速、準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)和分析，REPS不僅節(jié)省了寶貴的研究時(shí)間，還消除了計(jì)算中可能出現(xiàn)的人為錯(cuò)誤，從而推動(dòng)該領(lǐng)域朝著實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池超高效率的夢(mèng)想邁進(jìn)。
圖7. Enlitech的有機(jī)和有機(jī)光伏Voc損耗分析系統(tǒng)（REPS）用于分析和改善有機(jī)太陽(yáng)能電池的損耗，該系統(tǒng)產(chǎn)生的研究成果可以無(wú)縫集成并快速在期刊上發(fā)表。
關(guān)于如何以更有組織、更有效的方式進(jìn)行 Voc-loss 分析的指南。
Shockley-Queisser (SQ) 極限由物理學(xué)家 William Shockley 和 Hans Queisser 建立，可作為理解平衡條件下太陽(yáng)能電池最大效率的理論框架。根據(jù) SQ 限制，太陽(yáng)能電池的效率受到三種主要類型的開路電壓 (Voc) 損耗的限制。
首先，是 ΔV? 或熱力學(xué)損失，它源于啟動(dòng)電子從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶所需的基本能量。這就像你開始推動(dòng)汽車上坡所需的能量。
然后我們得到 ΔV2，即輻射損失。發(fā)生這種情況是因?yàn)樘?yáng)能電池不僅吸收光，而且還發(fā)射光，就像光子既進(jìn)又出的雙向街道一樣。當(dāng)電池與其周圍環(huán)境達(dá)到平衡時(shí)，一些能量會(huì)輻射回來(lái)，這一不可避免的過(guò)程導(dǎo)致了第二次電壓損失。
最后，ΔV?代表非輻射損耗。這些是由于細(xì)胞內(nèi)其他過(guò)程造成的損失，例如聲子相互作用，其中能量不是以光的形式發(fā)射，而是以熱的形式消散。這類似于汽車所經(jīng)歷的摩擦——你看不到它，但它會(huì)減慢你的前進(jìn)速度。
通過(guò)應(yīng)用 SQ 極限理論，我們可以精確剖析 Voc 損失過(guò)程，將每個(gè)損失能量量子歸因于其各自的原因。了解這些損耗不僅可以啟發(fā)我們了解能量的去向，還可以指導(dǎo)我們通過(guò)具體解決每種類型的損耗來(lái)設(shè)計(jì)更高效的太陽(yáng)能電池。該理論對(duì)于將太陽(yáng)能電池的性能邊界推向理想極限至關(guān)重要。
圖8 SQ平衡極限理論的熱力學(xué)損失、輻射復(fù)合損失和非輻射復(fù)合損失的能級(jí)示意圖。
圖 8 顯示了根據(jù) Shockley-Queisser (SQ) 平衡極限理論的能級(jí)示意圖，該理論闡明了太陽(yáng)能電池中電壓損耗的性質(zhì)。在頂部，我們看到帶隙能量 (Eg)，即將電子從價(jià)帶提升到導(dǎo)帶所需的能量，在導(dǎo)帶中電子可以產(chǎn)生電流。
該圖描繪了三種類型的電壓損耗：
熱力學(xué)損失 (ΔE1)，是將光子轉(zhuǎn)換為電荷載流子過(guò)程中固有的基本能量損失。它被描述為帶隙能量和熱力學(xué)開路電壓 (qVoc^SQ) 之間的差異。
輻射復(fù)合損失 (ΔE2)，此處表示為熱力學(xué) Voc 和輻射復(fù)合 Voc (qVoc^rad) 之間的差距。這種損失解釋了由于電子-空穴復(fù)合而發(fā)射光子時(shí)所耗散的能量。
非輻射復(fù)合損耗 (ΔE3)，即通過(guò)其他路徑（例如振動(dòng)或熱量）損失的能量，這些路徑不會(huì)導(dǎo)致光子發(fā)射。它由輻射復(fù)合 Voc 和實(shí)際 Voc (qVoc) 之間的差距來(lái)表示。
在能級(jí)表示下方，該圖提供了計(jì)算每種情況各自 Voc 值的方程。熱力學(xué) Voc (Voc^SQ) 是根據(jù)短路電流密度 (Jsc) 和飽和電流密度 (Jsq) 的平衡得出的，考慮到玻爾茲曼常數(shù) (k0)、絕對(duì)溫度 (T) 和電荷電子（q）。同樣，輻射 (Voc^rad) 和實(shí)際 Voc 考慮了輻射 (Jrad) 和二極管 (Jd) 過(guò)程各自的電流密度。
這種視覺(jué)和數(shù)學(xué)描述對(duì)于研究人員和工程師來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)樗麄兣ψ畲笙薅鹊販p少這些損失并使太陽(yáng)能電池效率接近 SQ 極限。
圖9. 對(duì)于輻射復(fù)合損耗和非輻射復(fù)合損耗的相關(guān)機(jī)制的解釋和理解，讀者可以參考Adv. 能源材料。2017, 1602358。這篇論文有關(guān)于各種缺陷引起的Voc損失機(jī)制的更多詳細(xì)信息。
圖 9 提供了太陽(yáng)能電池中輻射和非輻射復(fù)合損失所涉及機(jī)制的說(shuō)明性分解，2017 年發(fā)表的《先進(jìn)能源材料》雜志對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)解釋。
(a) 描繪了導(dǎo)帶 (CB) 中的電子與價(jià)帶 (VB) 中的空穴的輻射復(fù)合，導(dǎo)致光子 (ψem) 的發(fā)射。該過(guò)程導(dǎo)致熱力學(xué)極限，并且是吸收材料行為的固有部分。
(b) 顯示非輻射直接電子空穴復(fù)合，這是一種不希望的損失，可以通過(guò)更換空穴傳輸材料 (HTM) 并向太陽(yáng)能電池添加鈍化層來(lái)減輕。
(c) 說(shuō)明了通過(guò)缺陷進(jìn)行的復(fù)合，例如肖克利-雷德霍爾 (SRH) 復(fù)合，其中載流子被捕獲，然后在不貢獻(xiàn)電流的情況下復(fù)合。這里的解決方案涉及使用更純凈、無(wú)缺陷的材料。
(d) 概述了表面的復(fù)合，特別是在不正確的電極（如金、Au，如圖所示）處，可以通過(guò)鈍化表面以減少電荷載流子和電極之間的接觸面積來(lái)避免這種復(fù)合。
最后的機(jī)制（如右側(cè)所示）是俄歇復(fù)合，其中電子-空穴復(fù)合事件導(dǎo)致另一個(gè)電子躍遷到更高的能級(jí)，導(dǎo)致能量損失而沒(méi)有有用的能量輸出。該過(guò)程與材料特性有關(guān)，最好通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料來(lái)避免。
對(duì)于尋求更深入了解各種缺陷導(dǎo)致的 Voc 損失機(jī)制的讀者，Advanced Energy Materials 中引用的文章對(duì)這些現(xiàn)象及其對(duì)太陽(yáng)能電池效率的影響進(jìn)行了廣泛的探索。
待續(xù)：2024年 革新鈣鈦礦太陽(yáng)電池性能：Voc損失分析的重要性！_PART3
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