香港大学Adv. Energy Mater. : 一种改进的平衡模型量化钙钛矿太阳电池的效率损失

【引言】

钙钛矿太阳电池有望成为下一代高性能的光伏器件。虽然已有很多方法提高器件的光电转化效率，但是鲜有工作讨论钙钛矿太阳电池的效率损失机理和量化效率的损失。据报道，漂移扩散模型、电路模型和平衡模型可以用来分析和量化电池的能量损失。漂移扩散模型难以从电流-电压曲线中检索中模拟的参数。电路模型中的理想因子物理意义不明确，难以分别的量化表示辐射复合和非辐射复合。另外，传统的平衡模型不能量化出实际应用中的太阳电池的能量损失。因此，提出一种改进的平衡模型用于揭示钙钛矿太阳电池的损失机理和量化其损失因素是十分有必要的。

【成果简介】

近日，香港大学的蔡植豪教授在Advanced Energy Materials上发表最新研究成果“Quantifying Efficiency Loss of Perovskite Solar Cells by a Modified Detailed Balance Model”。在该文中，研究者建立了一种改进的平衡模型用于理解和量化钙钛矿太阳电池的效率损失。理论和实验结果表明：光学损失（25%）、非辐射复合损失（35%）和电阻损失（35%）是钙钛矿电池不能达到理论效率的三个主要因素。这项工作有利于我们理解钙钛矿太阳电池的器件物理学。研究者所提出的模型为光伏科学提供了一个系统的设计和分析工具。

【图文导读】

图1 器件结构分析

（a）钙钛矿太阳电池的器件结构

（b）电池的能带结构示意图

图2 活性层厚度对J-V曲线的影响

（a）80 nm，（b）200 nm 和（c）240 nm厚的活性层构成的钙钛矿太阳电池的理论和实验的J-V 特征曲线

图3 电池的能量损失分析

对比分析不同活性层厚度组成的CH₃NH₃PbI₃电池的效率损失

图4 载流子传输层的分析

（a）嵌入PEDOT:PSS和Bis-C₆₀传输层的钙钛矿太阳电池的理论和实验J-V特征曲线（b）嵌入NiO_x和ZrAcAc传输层的钙钛矿太阳电池的理论和实验J-V特征曲线

图5 载流子传输层对太阳电池能量损失的影响分析

不同的载流子传输层构型对CH₃NH₃PbI₃电池能量损失的影响

图6 高性能钙钛矿太阳电池的效率损失分析

器件构型为ITO/NiO_x (20 nm)/CH₃NH₃PbI₃(Cl) (300 nm)/PCBM:C₆₀ mixture (50 nm)/Bis-C60 (10 nm)/Ag (120 nm)的太阳电池的最佳效率及其效率损失因素组成示意图.

【小结】

在这项工作中，研究者提出了一种平衡模型能更好地量化和理解钙钛矿太阳电池的效率损失机理。理论和实验研究表明：设计薄的活性层和增强光捕获可以用于降低器件的主要光学损失。对于最佳的电池结构，高效的载流子传输层和高品质的钙钛矿膜有利于降低电阻损失和缺陷诱导的复合损失。该研究所提出的模型可以作为一种普遍的工具用于分析和理解其它类型太阳电池的效率损失机理。

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

本文由材料人编辑部实习生马永超编译，黄超审核，点我加入材料人编辑部。

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