香港大學Adv. Energy Mater. : 一種改進的平衡模型量化鈣鈦礦太陽電池的效率損失

【引言】

鈣鈦礦太陽電池有望成為下一代高性能的光伏器件。雖然已有很多方法提高器件的光電轉化效率，但是鮮有工作討論鈣鈦礦太陽電池的效率損失機理和量化效率的損失。據報道，漂移擴散模型、電路模型和平衡模型可以用來分析和量化電池的能量損失。漂移擴散模型難以從電流-電壓曲線中檢索中模擬的參數。電路模型中的理想因子物理意義不明確，難以分別的量化表示輻射復合和非輻射復合。另外，傳統的平衡模型不能量化出實際應用中的太陽電池的能量損失。因此，提出一種改進的平衡模型用于揭示鈣鈦礦太陽電池的損失機理和量化其損失因素是十分有必要的。

【成果簡介】

近日，香港大學的蔡植豪教授在Advanced Energy Materials上發表最新研究成果“Quantifying Efficiency Loss of Perovskite Solar Cells by a Modified Detailed Balance Model”。在該文中，研究者建立了一種改進的平衡模型用于理解和量化鈣鈦礦太陽電池的效率損失。理論和實驗結果表明：光學損失（25%）、非輻射復合損失（35%）和電阻損失（35%）是鈣鈦礦電池不能達到理論效率的三個主要因素。這項工作有利于我們理解鈣鈦礦太陽電池的器件物理學。研究者所提出的模型為光伏科學提供了一個系統的設計和分析工具。

【圖文導讀】

圖1 器件結構分析

（a）鈣鈦礦太陽電池的器件結構

（b）電池的能帶結構示意圖

圖2 活性層厚度對J-V曲線的影響

（a）80 nm，（b）200 nm 和（c）240 nm厚的活性層構成的鈣鈦礦太陽電池的理論和實驗的J-V 特征曲線

圖3 電池的能量損失分析

對比分析不同活性層厚度組成的CH₃NH₃PbI₃電池的效率損失

圖4 載流子傳輸層的分析

（a）嵌入PEDOT:PSS和Bis-C₆₀傳輸層的鈣鈦礦太陽電池的理論和實驗J-V特征曲線（b）嵌入NiO_x和ZrAcAc傳輸層的鈣鈦礦太陽電池的理論和實驗J-V特征曲線

圖5 載流子傳輸層對太陽電池能量損失的影響分析

不同的載流子傳輸層構型對CH₃NH₃PbI₃電池能量損失的影響

圖6 高性能鈣鈦礦太陽電池的效率損失分析

器件構型為ITO/NiO_x (20 nm)/CH₃NH₃PbI₃(Cl) (300 nm)/PCBM:C₆₀ mixture (50 nm)/Bis-C60 (10 nm)/Ag (120 nm)的太陽電池的最佳效率及其效率損失因素組成示意圖.

【小結】

在這項工作中，研究者提出了一種平衡模型能更好地量化和理解鈣鈦礦太陽電池的效率損失機理。理論和實驗研究表明：設計薄的活性層和增強光捕獲可以用于降低器件的主要光學損失。對于最佳的電池結構，高效的載流子傳輸層和高品質的鈣鈦礦膜有利于降低電阻損失和缺陷誘導的復合損失。該研究所提出的模型可以作為一種普遍的工具用于分析和理解其它類型太陽電池的效率損失機理。

文獻鏈接：Quantifying Efficiency Loss of Perovskite Solar Cells by a Modified Detailed Balance Model（Adv. Energy Mater.，2017，DOI: 10.1002/aenm.201701586）

本文由材料人編輯部實習生馬永超編譯，黃超審核，點我加入材料人編輯部。

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