钙钛矿太阳电池中开路电压损失的实验室测量指南

• 为研究人员提供如何在实验室中独立测量开路电压损耗的分步指南。

开始钙钛矿太阳能电池研究时，人们可能想知道是否可以独立确定开路电压 (Voc) 损耗。令人鼓舞的答案是肯定的。根据 Shockley-Queisser (SQ) 极限（太阳能电池高效率的基准），Voc 损耗可通过三种不同类型的损耗进行量化。这些可以使用以下关系仔细计算：

图像中描绘的数学关系概述了根据 Shockley-Queisser 极限计算钙钛矿太阳能电池开路电压 (Voc) 损耗的方法。该理论框架规定 Voc 损耗由三个不同的部分组成：

1. ΔV1，热力学损失，与将电子从太阳能电池材料内的原子键中释放所需的能量有关。

2. ΔV2，由于辐射复合造成的损失，即电子与空穴复合并发射光子，导致本可以转化为电能的势能损失。

3. ΔV3，归因于非辐射复合的损耗，其中其他机制（例如声子相互作用）导致能量耗散而没有光子发射。

在给定的公式中，“q”表示基本电荷，“ΔV”表示总开路电压损失。通过测量带隙能量 (Eg)、Shockley-Queisser 极限下的 Voc (V SQOC) 以及辐射复合的 Voc (VradOC)，研究人员可以计算其中的每一个损耗。这些值对于理解和优化钙钛矿太阳能电池的性能至关重要。带隙能量 (Eg) 是太阳能电池材料的基本属性，而 V SQOC 和 VradOC 是分别反映理想和实际能量转换场景的特定电压。

该方程为研究人员提供了一个定量工具，可以剖析和分析太阳能电池内的具体损耗，最终使他们能够制定策略，最大限度地减少这些损耗，并使太阳能电池的效率更接近理论最大值。

为了测量这些值，研究人员可以使用提供的公式：

1. 带隙能量 (Eg) 与外部量子效率 (EQEPV) 对能量 (E) 的导数相关，这可以深入了解光伏材料将入射光子转换为电能的效率。

2. V SQOC 使用玻尔兹曼常数 (KT/q) 计算，同时考虑太阳光谱 (ΦAM1.5) 和材料的黑体辐射光谱 (ΦBB)，它们分别代表最大潜在光伏响应和理论黑体发射。

3. VradOC 还利用玻尔兹曼常数，并结合光伏器件的 EQE (EQEPV) 和太阳光谱，提供仅考虑辐射过程的理想化电压值。

该公式代表太阳能电池的实际 Voc，包含电致发光外部量子效率 (EQEEL) 以及光伏量子效率和太阳光谱。

这可以真实地测量太阳能电池在光照时的电压输出。

通过将这些公式与实验数据相结合，研究人员可以定量评估钙钛矿太阳能电池的性能并确定改进途径。了解这些参数对于推进太阳能电池的设计和效率以及突破太阳能技术的极限至关重要。

为了得出这些值，我们需要精确测量带隙能量 (Eg)、SQ 极限下的 Voc (V SQOC) 和辐射复合下的 Voc (VradOC)。这些分别代表太阳能电池的带隙、根据 SQ 限制的理论开路电压以及仅考虑辐射复合的开路电压。

但如何测量这些关键物理量呢？让我们定义一下这些术语：

钙钛矿带隙、Shockley–Queisser (SQ) 极限、辐射复合、Voc 损耗计算

此外，利用二极管模型，理论上 Voc 可以通过以下方程确定：

Voc = 钙钛矿的开路电压

借助 Enlitech ELCT-3010（现已升级为 Enlitech REPS 钙钛矿光伏 Voc 损耗分析系统），研究人员可以测量太阳能电池的电致发光外量子效率 (EQEEL)。

要开始使用钙钛矿 Voc 损耗分析软件 (SQ-VLA)，必须首先为测量和分析任务設定一个名称。输入来自 QE-R、IVS-KA6000 和 REPS 的数据后，软件会快速处理并显示结果，详细说明带隙、SQ 极限 Voc、辐射复合的 Voc 以及三个损耗：ΔV1、ΔV2 和ΔV3。

通过并列对照和实验设置之间的 Voc 损失，我们可以清楚地了解实验变量的影响。调整是否能有效减少 Voc 损失？这个问题的答案将揭示我们是否已经成功提高了钙钛矿太阳能电池的 Voc，使我们离充分发挥其潜力又近了一步。这种方法不仅加深了我们对 Voc 损失机制的理解，而且推动我们提高钙钛矿太阳能电池的整体效率。

图 10. 钙钛矿开路电压损耗分析软件 (SQ-VLA) 的启动快照。

图 10 显示了 Enlitech 开发的钙钛矿开路电压损耗分析软件（称为 SQ-VLA）的初始屏幕。该界面是研究人员输入项目数据并开始分析太阳能电池电压损失过程的门户。简单且用户友好的输入对话框提示用户命名他们的项目，确保实验分析有组织且可追踪的工作流程。输入并确认项目名称后，该软件就可以执行 Voc 损失评估所需的复杂计算，为更高效的太阳能电池技术的研究提供支持。

图 11. QE-R、IVS-KA6000 和 REPS 的数据实施快照。

图 11 显示了 SQ-VLA 软件的用户界面，其中包含用于太阳能电池开路电压 (Voc) 损耗分析的数据输入。该软件旨在处理和分析光伏外量子效率 (PV-EQE) 数据、电致发光外量子效率 (EL-EQE) 数据以及被测设备 (DUT) 的电流-电压 (IV) 特性。

在界面左侧，用户可以加载PV-EQE和EL-EQE所需的文件以及IV文件来启动分析。该数据输入对于确定 ΔE1、ΔE2 和 ΔE3 损耗至关重要，它们分别对应于热力学损耗、辐射损耗和非辐射损耗。

界面的中心部分显示 PV-EQE 和 IV 数据的图表，提供有关不同波长光伏器件效率及其在不同电压条件下电气性能的视觉反馈。

右侧的 EL-EQE 数据图绘制了太阳能电池作为发光二极管 (LED) 在反向偏压下工作时的效率与电流密度的关系。

图表下方是 DUT 参数部分，其中包含器件的具体细节，例如带隙能量 (Eg)、开路电压 (Voc)、短路电流密度 (Jsc) 和 EL-EQE显示短路情况。这些参数对于了解光伏器件的性能特征至关重要。

总体而言，SQ-VLA 软件的快照展示了一个综合平台，使研究人员能够加载实验数据并立即了解 Voc 损失，从而使他们能够评估并潜在地增强太阳能电池的性能。

图 12. SQ-VLA 软件显示热力学损失 ΔV1、辐射复合损失 ΔV2 和非辐射复合损失 ΔV3

图 12 提供了 SQ-VLA 软件界面的视图，显示了太阳能电池电压损耗的详细分析。该软件量化并说明了三种主要类型的电压损耗：热力学损耗 (ΔV1)、辐射复合损耗 (ΔV2) 和非辐射复合损耗 (ΔV3)。

左侧的“电压损耗分析结果”部分列出了带隙能量 (Eg) 以及 Shockley-Queisser 极限下的 Voc 计算值 (V SQOC)、辐射复合的 Voc (VradOC) 以及设备的实际 Voc。这些值对于了解太阳能电池的效率和性能限制至关重要。

在其下方的“DUT 参数”部分中，显示器件的具体参数，例如带隙能量、测得的 Voc、短路电流密度 (Jsc) 以及短路条件下的 EL-EQE。这些参数作为分析的关键输入。

右侧的直方图直观地比较了每种类型的电压损失的大小。条形代表理想 Voc 与实际 Voc 之间的定量差异，分为三类损耗。这种视觉表示使研究人员可以轻松地查明太阳能电池中最重要的损耗区域，从而促进有针对性的改进以提高电池的性能。

因此，SQ-VLA 软件提供了一个全面的工具，用于分析和了解影响太阳能电池 Voc 的各种损耗，为优化和研究开发提供宝贵的见解。

待续：2024年 革新钙钛矿太阳电池性能：Voc损失分析的重要性！_PART4

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