Sci. Adv.:高性能鈣鈦礦太陽能電池中光子回收和散射的影響


【背景介紹】

提高太陽能電池的功率轉換效率(PCE)對于可再生能源的廣泛開發至關重要。著名的肖克利-奎塞爾(SQ)理論基于一個輻射平衡理論預測了太陽能電池效率的一個上限:要接近SQ極限,太陽能電池還必須具有很高的輻射效率。高效的外部輻射對于太陽能電池實現高PCE至關重要。電致發光量子效率(ELQE)的經典極限1/2n2(n,折射率)最近被鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)所接近。光子回收(PR)和光散射可以提供超越這個極限的機會

【成果簡介】

德累斯頓大學Changsoon Cho、Karl Leo和韓國高麗大學Jun Hong Noh課題組合作,研究了PR和散射在實際設備操作中的作用,使用具有ELQE(1個太陽時13.7%)的輻射PSC,顯著超過了經典極限(7.4%)。本工作實驗分析了PR和光散射對這一強輻射的貢獻。一種新穎的光學模型顯示本工作PSC的電壓增加了39 mV。這種分析可以為未來的PSC提供設計原則,以接近SQ效率極限。相關論文以題為“Effects of photon recycling and scattering in high-performance perovskite solar cells”發表在Science Advance上。

【圖文解析】

為了研究PR和散射過程在實際設備中的作用,本工作制備了高輻射PSC。為了改善能帶排列,減少非輻射猝滅,采用化學浴沉積法生長SnO2電子選擇性層。在3D鈣鈦礦的頂部形成了OA基的二維鈣鈦礦,以鈍化缺陷,形成適當配位的2D/3D異質結。圖1B和圖S2分別呈現了新的x射線衍射(XRD)峰的出現和與OA基2D鈣鈦礦形成相對應的織構表面形貌。在有和沒有孔徑掩模的情況下PCE分別測量為24.1%和24.0%(圖1C),這明顯超過了沒有OABr的器件的22.1%的效率。全照明設備中1.21 V的開路(OC)電壓(Voc)因使用基于降低的有效電流密度的掩模而略有下降。圖1D給出了外量子效率(EQE)和EL的實測光譜,它們表現出明顯的重疊。分別測量了鈣鈦礦薄膜的光致發光(PL)和整個器件的EL在各種光和電激勵下的光致發光(EL),其效率如圖1E所示。ELQE沒有達到穩態,而是在正向和反向掃掠,以保持與太陽模擬器一致的條件。本工作PSC的高ELQE促進了自我激發效應的顯示,這是PR的主要證據。當最左邊的像素(P1)被外偏壓激發時,輻射光子主要通過基片模式橫向傳播,通過重吸收激發下一個像素,如圖1G所示。測量注入電流上產生的光電流量子效率分別為<0.50%(P2)、<0.24%(P3)和<0.12%(P4)。

圖1. 器件性能

PR和散射都可以通過打破俘獲模式來提高ELQE。為了分別突出PR和散射在PSCs中的作用,本工作設計了一個強度依賴的空間分辨PL實驗,如圖2A所示。激發光束聚焦在PSC上的一個特定光斑上,并在遠離激發光點的不同橫向距離上測量PL。在波導模式的橫向傳播過程中,隨著高能光子優先被鈣鈦礦吸收,光譜發生紅移。雖然處于完美波導模式的光子不能外耦合,但當它們發生PR或光散射事件時,它們就變得可測量。圖2B給出了實測PL隨激發點距離(R)的函數關系。在R>50 μm時,790、820和860 nm的吸收曲線根據不同的吸收系數在不同的斜率上分裂衰減(圖2C)。在860 nm處,吸收僅為~3 cm-1,測量的斜率為240 cm-1主要歸因于波導模式中發生的光散射。當距離大于120 μm時,光致發光強度變得平坦,主要是基于光子通過菲涅耳反射從玻璃襯底表面返回。圖2E比較了0 μm和70 μm處的測量光譜。在70 μm處,PR(與PL0相同)和散射(PL70-PL0)的光譜在混合光譜中明顯區分,表明這兩種機制均有助于PSCs的外發射

圖3給出了空間分辨EL作為PR和散射對實際太陽電池工作貢獻的直接證據。電流注入產生光子,被俘獲模式的光子可以傳播到細胞區域的外部(圖3A)。如圖3B所示,橫向擴散EL與前面描述的PL類似。而790 nm處的EL主要可歸結為PR,而820和860 nm處的EL則在這些波長較低重吸收的基礎上顯得更為寬泛,使得光散射的貢獻相對更強

圖2. 激發相關的空間分辨PL

圖3. 空間分辨EL

盡管人們對PSCs的EL興趣迅速增長,但一種適合于這些器件EL建模的方法尚未發展。特別地,正如本工作在實驗上所證明的那樣,如果不定量地理解PR和散射過程的作用,就不能解釋最近高效PSCs的成功。這里,本工作建立了一個普遍適用于量化PSCs中各種光學參數的光學模型,從而為應該允許新器件達到SQ極限的太陽電池設計提供了重要的見解。為了解決復雜的散射光學行為,本工作提出了一種有效的散射系數(S0)來量化。在這個假設了無窮大橫向維數的模型中,陷模中的一個光子最終要么被鈣鈦礦(Aact)或寄生層(Apara)重新吸收,要么以S0的速率散射(圖4A)。一個光子被一個新的偶極子代替,在每個散射事件的同一波長處具有隨機取向。該模型不能全面反映實際系統中的所有物理過程,如散射光的非各向同性角分布。然而,選擇一個S0的有效值來表示視光散射的等效量并近似其對出光效率的貢獻是可能的

圖4E給出了PR和散射對Vnr減小的貢獻隨ηrad的函數。在提高PR的基礎上,效益隨ηrad的增大而增大。在理想的PSC中,ηrad為100 %,Rs為0歐姆s時,可獲得55 mV的效益,最大PCE為27.4% (圖5)。這就為PSCs現行形式的PCE提供了一個實際的上限,只留下了提升最先進PCE的小空間(> 25%)。器件D(圖5)沒有寄生層,其最大ELQE為100%,PCE為31.3%,其中PR和散射貢獻的Voc為79 mV,PCE為2.1%。同樣,與早期低ELQE的PSC不同,理解和利用PR和散射的影響將在發展未來PSC以接近SQ極限方面發揮關鍵作用。這一研究代表了這一方向的第一步。

圖4. PR和散射效應在實際裝置運行中的量化

圖5. 計算了有(光+暗)和無(暗)PR的ELQE、Voc和PCE,以及各種理想PSC的散射

【論文情況】

第一作者:Changsoon Cho

通訊作者:Changsoon Cho、Jun Hong Noh、Karl Leo

通訊單位:德累斯頓大學、韓國高麗大學

論文doi:10.1126/sciadv.abj1363

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