在本文中，我們將仔細(xì)研究 Voc 損失分析，這是提高鈣鈦礦太陽能電池效率的關(guān)鍵技術(shù)。我們將首先解釋什么是 Voc 損耗分析，以及為什么它對于克服在這些電池中實(shí)現(xiàn)超高效率的挑戰(zhàn)如此重要。然后，我們將指導(dǎo)您逐步完成如何有效地執(zhí)行此分析。但這不僅僅是理論——我們還將向您展示如何在實(shí)際情況中使用 Voc 損耗分析以及它所產(chǎn)生的真正影響。最后，我們將為希望在工作中實(shí)施這些技術(shù)的研究人員推薦一些工具和儀器。無論您是經(jīng)驗(yàn)豐富的研究人員還是該領(lǐng)域的新手，本文旨在為令人興奮的鈣鈦礦太陽能電池研究世界提供清晰、有用的見解。
簡要概述 Voc 損失分析在鈣鈦礦太陽能電池研究中的重要性和影響。
在尋求提高鈣鈦礦太陽能電池（PSC）效率的過程中，科學(xué)界取得了重大進(jìn)展，特別是在了解和減少開路電壓（Voc）損失方面。本簡介概述了PSC從早期研究到最近取得突破的非凡歷程，重點(diǎn)介紹了韓國UNIST和香港城市大學(xué)朱宗龍教授團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵貢獻(xiàn)。隨著ferrocenyl-bis-thiophene-2-carboxylate (FcTc2) 等先進(jìn)材料的發(fā)揮作用，提高 Voc 和整體電池性能，效率記錄被打破。這些里程碑以 Enlitech 的 REPS 等系統(tǒng)的精確分析能力為基礎(chǔ)，為下一代 PSC 鋪平了道路。它們有望提高穩(wěn)定性和效率，有可能改變太陽能領(lǐng)域。本簡介為更深入地了解推動該領(lǐng)域發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)和材料奠定了基礎(chǔ)。
圖 1 突出顯示了越來越多的科學(xué)論文專注于使用 Voc 損耗分析來提高鈣鈦礦太陽能電池的效率。該圖顯示自 2015 年以來人們的興趣明顯上升，出版物數(shù)量逐年穩(wěn)步增加。2019 年和 2020 年左右，這種上升趨勢明顯暫停。然而，研究在 2021 年出現(xiàn)反彈，論文數(shù)量顯著增加了一倍。2022 年的早期數(shù)據(jù)表明，這一勢頭不僅得以維持，而且到年底產(chǎn)量可能會比 2021 年翻一番。這種上升趨勢突顯了人們對 Voc 損耗分析作為提高太陽能電池性能的方法的巨大興趣并日益增長。
讓我們快速回顧一下對開路電壓 (Voc) 損耗的理解是如何演變的，以及為什么它在當(dāng)今的鈣鈦礦太陽能電池研究中至關(guān)重要。
在 2018 年 ACS Photonics 發(fā)表的一篇開創(chuàng)性文章中，Nam-Gyu Park 和 Hiroshi Sekawa 探索了鈣鈦礦太陽能電池的潛在效率。他們強(qiáng)調(diào)了一項(xiàng)重大成就：這些電池的短路電流密度（Jsc）幾乎達(dá)到理論峰值，達(dá)到其最大預(yù)期值的 97%。然而，Voc 卻落后了，僅達(dá)到理論極限的 77% 左右。與高效砷化鎵 (GaAs) 太陽能電池（其中 Voc 已達(dá)到其極限的 95%）相比，很明顯，提高 Voc 是釋放鈣鈦礦太陽能電池全部潛力的關(guān)鍵。
作者認(rèn)為，重點(diǎn)關(guān)注增加 Voc（從本質(zhì)上減少其損失）應(yīng)該成為研究的重點(diǎn)，而不是讓 Jsc 更接近其極限。他們提出，描述 Voc 損耗的詳細(xì)理論模型，再加上一套用于分析這種損耗的精確測量工具，可以顯著推動鈣鈦礦太陽能電池研究的發(fā)展。
圖 2 顯示了鈣鈦礦太陽能電池通過提高短路電流密度 (Jsc) 或最小化開路電壓 (Voc) 損失來實(shí)現(xiàn)更高能量轉(zhuǎn)換效率的途徑。該圖表來自 ACS Photonics，表明通過關(guān)注這兩個參數(shù)，鈣鈦礦太陽能電池正在迅速接近其理論最大效率。值得注意的是，鈣鈦礦與砷化鎵（GaAs）一起標(biāo)記以比較它們的性能，表明鈣鈦礦在太陽能電池技術(shù)中的巨大潛力。如需了解更多詳細(xì)信息，請參閱 2018 年 7 月 2 日出版的 ACS Photonics 期刊。
2019年以來，鈣鈦礦太陽能電池研究領(lǐng)域?qū)Α伴_路電壓"的關(guān)注穩(wěn)步增長?，F(xiàn)在人們普遍認(rèn)識到，最大限度地減少 Voc 損失是提高電池效率的關(guān)鍵策略。以 2019 年的一項(xiàng)里程碑式成就為例：《Nature Photonics》發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于鈣鈦礦太陽能電池的研究，創(chuàng)下了 23.2% 的新世界紀(jì)錄。該研究強(qiáng)調(diào)了以減少 Voc 損失為中心的策略。
該團(tuán)隊(duì)利用Enlitech的ELCT3011和REPS鈣鈦礦光伏Voc損耗分析系統(tǒng)來測量Voc的非輻射復(fù)合損耗。通過將光譜分析與熱力學(xué)原理相結(jié)合，他們能夠證實(shí) PEAI 對鈣鈦礦薄膜的鈍化效果。這種鈍化導(dǎo)致 Voc 增加，從而提高鈣鈦礦太陽能電池的整體轉(zhuǎn)換效率。
圖 3 展示了通過專注于減少 Voc 損耗來提高鈣鈦礦太陽能電池能量轉(zhuǎn)換效率的里程碑式成就。Nature Photonics 詳細(xì)介紹了 2019 年的這一突破，展示了一種鈣鈦礦太陽能電池，它不僅降低了 Voc 消耗，而且實(shí)現(xiàn)了接近理論最大值的短路電流密度 (Jsc)，達(dá)到了可能極限的 95%。這項(xiàng)研究的策略和結(jié)果為表面鈍化技術(shù)提供了寶貴的見解，展示了它們在優(yōu)化電池性能方面的有效性。
圖 4 突出了 2020 年 9 月 25 日《科學(xué)》雜志報道的一個顯著里程碑：穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池的誕生，其不僅效率超過 24.8%，而且電壓損失最小，僅為 0.3 伏。這一成就強(qiáng)調(diào)了旨在減少 Voc 損失的創(chuàng)新策略的有效性，標(biāo)志著太陽能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的重大進(jìn)步。
2020 年，韓國蔚山國立科學(xué)技術(shù)研究院 (UNIST) 的一個團(tuán)隊(duì)?wèi){借其高效鈣鈦礦太陽能電池成為頭條新聞，該電池在僅 0.3 V 電壓損失的情況下實(shí)現(xiàn)了令人印象深刻的 24.8% 能量轉(zhuǎn)換效率，如科學(xué)雜志。他們策略的關(guān)鍵是優(yōu)化開路電壓 (Voc)。他們采用 Enlitech ELCT3010 系統(tǒng)（現(xiàn)稱為 Enlitech REPS 鈣鈦礦光伏 Voc 損耗分析系統(tǒng)）來精確測量和分析鈣鈦礦太陽能電池的 Voc 損耗特性。
另一項(xiàng)突破是，香港城市大學(xué)朱宗龍教授及其團(tuán)隊(duì)因創(chuàng)新使用二茂鐵基雙噻吩-2-羧酸酯 (FcTc2) 而于 2022 年 4 月登上《科學(xué)》雜志。這種化合物為鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定高效界面材料的開發(fā)提供了新的見解。二茂鐵衍生物結(jié)合了有機(jī)和無機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)，充當(dāng)雙功能界面層，顯著減少鈣鈦礦太陽能電池界面的非輻射復(fù)合，同時增強(qiáng)電荷轉(zhuǎn)移。
利用 Enlitech ELCT-3010 系統(tǒng)和其他工具，研究人員可以通過結(jié)合 FcTc2 接口來提高太陽能電池的 Voc 和填充因子 (FF)。這使得倒置鈣鈦礦太陽能電池的效率達(dá)到破紀(jì)錄的 25%，認(rèn)證效率為 24.3%。值得注意的是，這些電池在模擬 AM1.5 照明條件下運(yùn)行 1500 小時后仍保持了 98% 的初始效率。它們還經(jīng)受了濕熱環(huán)境下嚴(yán)格的穩(wěn)定性測試，符合國際 IEC 61215:2016 標(biāo)準(zhǔn)。
圖 5 直觀地總結(jié)了朱教授的研究在 PSC 性能方面取得的重大進(jìn)展。(A) JV 曲線說明了性能最佳 PSC 的電流和電壓特性，將具有 FcTc2 層的器件與不具有 FcTc2 層的器件進(jìn)行了比較。(B) EQE 光譜顯示了器件將不同波長的光轉(zhuǎn)換為電能的效率，以及計(jì)算出的具有和不具有 FcTc2 的器件的電流密度。(C) 該圖顯示了使用 FcTc2 增強(qiáng)的 PSC 在最大功率點(diǎn) (MPP) 處隨時間的穩(wěn)定功率輸出。(D) 直方圖表示 30 個器件樣本中功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 值的分布情況，突出顯示 FcTc2 處理后的性能提升。(E) EQE-EL 值表示 PSC 作為發(fā)光二極管 (LED) 的效率，根據(jù)不同的電流密度繪制，以便在 FcTc2 處理和未處理的器件之間進(jìn)行比較。(F) 具有 FcTc2 的 PSC（充當(dāng) LED）的 EL 光譜顯示了不同波長的發(fā)射光強(qiáng)度，峰值位于 806 nm 左右。
Enlitech 的 REPS 系統(tǒng)是一款復(fù)雜的工具，擅長捕獲最微小的 EL-EQE 信號，檢測低至千萬分之一的電平。得益于其 SQ-VLA 軟件，它能夠計(jì)算各種形式的開路電壓：從熱力學(xué) Voc 到輻射和非輻射復(fù)合 Voc。系統(tǒng)并不止于此；它還可以使用單個直方圖來比較和對比不同設(shè)備之間的能量損失，稱為 ΔE1、ΔE2 和 ΔE3。
REPS 系統(tǒng)真正具有變革性的是其分析軟件，它將理論 Voc 損耗計(jì)算與設(shè)備 IV 曲線中觀察到的實(shí)際 Voc 損耗保持一致。這種一致性對于希望加深理解、提高工作精度并最終為學(xué)術(shù)出版物和太陽能電池技術(shù)進(jìn)步做出貢獻(xiàn)的研究人員至關(guān)重要。
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！_PART2
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