詳細(xì)解釋什么是 Voc-loss 分析及其對太陽能電池效率的重要性。
當(dāng)我們深入研究太陽能電池效率領(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，從太陽能電池的基本原理開始。太陽能電池是由 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)生我們所說的電子空穴對。完整的過程涉及四個(gè)關(guān)鍵階段：光子的吸收、光載流子（電子和空穴）的產(chǎn)生、它們在電池中的傳輸，以及最后它們在電極處的收集，從而產(chǎn)生電流。
將太陽能電池想象成一個(gè)繁忙的機(jī)場：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. 太陽能電池概念及太陽能電池能帶圖 （引自：臺大電機(jī)系，太陽能電池原理與應(yīng)用）。
圖 6 闡明了太陽能電池的基本概念和內(nèi)部工作原理。在左側(cè)，我們看到了太陽能電池的簡化表示，其中有太陽投射的光線。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，它們是發(fā)電的關(guān)鍵因素。
該圖的右側(cè)顯示了太陽能電池的能帶圖，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)。它說明了引導(dǎo)電子流向電極的勢壘和電場，從而導(dǎo)致電流流過外部電路。
國立中國臺灣大學(xué)電氣工程系的這張圖概括了從光子到電流的過程，是了解太陽能電池如何將陽光轉(zhuǎn)化為可用能量的重要參考。這是電子穿過的潛在景觀的快照，這種景觀旨在引導(dǎo)這些帶電粒子有效地通過系統(tǒng)，最大限度地減少損失并輸出——這是太陽能電池技術(shù)的核心。
現(xiàn)在，外部量子效率（EQE）就像機(jī)場的效率等級；它測量到達(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，描繪了太陽能電池將光子轉(zhuǎn)換為電流的能力。
在理想的世界中，太陽能電池將以零浪費(fèi)的方式轉(zhuǎn)換能量，就像沒有延誤的機(jī)場一樣，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)化我們的太陽能電池機(jī)場，以實(shí)現(xiàn)更清潔、更高效能源的未來。
探索鈣鈦礦太陽能電池效率提升的關(guān)鍵痛點(diǎn)和障礙。
克服鈣鈦礦太陽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)在制造過程中通常是不可避免的。
研究人員正在致力于通過關(guān)注載流子遷移率和傳輸、薄膜形態(tài)和受控生長異質(zhì)結(jié)等領(lǐng)域來改進(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。
為了有效評估和改進(jìn)這些進(jìn)步，有機(jī)太陽能研究中出現(xiàn)了兩個(gè)關(guān)鍵問題：我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)精確測量？我們?nèi)绾慰焖儆?jì)算和解釋這些測量的熱力學(xué)和復(fù)合損失？解決這些問題是推動(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)新的精度和輕松測量、計(jì)算和分析 Voc 損失。憑借檢測超低 EL-EQE 信號并計(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，從而簡化研究過程。通過提供快速、準(zhǔn)確的測試數(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)鈣鈦礦太陽能電池超高效率的夢想邁進(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)太陽能電池的損耗，該系統(tǒng)產(chǎn)生的研究成果可以無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能電池最大效率的理論框架。根據(jù) SQ 限制，太陽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)樘柲茈姵夭粌H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，這一不可避免的過程導(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。
通過應(yīng)用 SQ 極限理論，我們可以精確剖析 Voc 損失過程，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)我們通過具體解決每種類型的損耗來設(shè)計(jì)更高效的太陽能電池。該理論對于將太陽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)合損失的能級示意圖。
圖 8 顯示了根據(jù) Shockley-Queisser (SQ) 平衡極限理論的能級示意圖，該理論闡明了太陽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) 之間的差距來表示。
在能級表示下方，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) 過程各自的電流密度。
這種視覺和數(shù)學(xué)描述對于研究人員和工程師來說至關(guān)重要，因?yàn)樗麄兣ψ畲笙薅鹊販p少這些損失并使太陽能電池效率接近 SQ 極限。
圖9. 對于輻射復(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 提供了太陽能電池中輻射和非輻射復(fù)合損失所涉及機(jī)制的說明性分解，2017 年發(fā)表的《先進(jìn)能源材料》雜志對此進(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，可以通過更換空穴傳輸材料 (HTM) 并向太陽能電池添加鈍化層來減輕。
(c) 說明了通過缺陷進(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，可以通過鈍化表面以減少電荷載流子和電極之間的接觸面積來避免這種復(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，導(dǎo)致能量損失而沒有有用的能量輸出。該過程與材料特性有關(guān)，最好通過選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料來避免。
對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 中引用的文章對這些現(xiàn)象及其對太陽能電池效率的影響進(jìn)行了廣泛的探索。
待續(xù)：2024年 革新鈣鈦礦太陽電池性能：Voc損失分析的重要性！_PART3
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