钙钛矿太阳能电池中电荷载流子主要通过在界面缺陷部位发生的复合而损失

2019-10-14 17:41:26

即使是由完美的奇迹材料制成的太阳能电池也永远无法将100%的阳光转化为电能。这是因为理论上可达到的最大功率受电子能带的位置以及不可避免的光子辐射(热力学或肖克利-奎塞尔极限)的限制。例如,硅的最大功率转换效率约为33%。但是,即使这个值也永远不会达到。这是由于各种缺陷引起的,这些缺陷导致一些由阳光释放的电荷载流子的损失。为了达到最大值,因此有必要研究太阳能电池中的各种缺陷,并确定哪些缺陷会导致损失以及如何导致损失。

有机金属钙钛矿吸收层被认为是太阳能电池特别令人兴奋的新材料类别-在短短十年内,它们的效率已从3%提高到20%以上,这是一个了不起的成功故事。现在,由波茨坦大学的Dieter Neher教授和HZB的Thomas Unold博士领导的团队已经成功地确定了限制钙钛矿型太阳能电池效率的决定性损失过程。

在钙钛矿层的晶格中的某些缺陷处,刚刚被阳光释放的载流子(即电子和“空穴”)可以再次复合并因此损失。但是,到目前为止,这些缺陷是否优先位于钙钛矿层内还是钙钛矿层与传输层之间的界面尚不清楚。

为了确定这一点,科学家们采用了具有高精度,时空分辨率的光致发光技术。他们使用激光激发了平方厘米大小的钙钛矿层,并检测了材料在何时何地响应激发而发光。“在我们的实验室中,这种测量方法是如此精确,我们可以确定已经发射的光子的确切数量,” Unold解释说。不仅如此,还使用高光谱CCD摄像机精确记录和分析了所发射光子的能量。

“通过这种方式,我们能够计算出电池每个点的损耗,从而确定最有害的缺陷位于钙钛矿吸收体层与电荷传输层之间的界面上,” Unold报告。这对于进一步改善钙钛矿太阳能电池是重要的信息,例如,通过具有积极作用的中间层或通过改进的制造方法。

在这些发现的帮助下,由波茨坦大学的Dieter Neher博士和Martin Stolterfoht博士领导的小组成功地减少了界面重组,从而将1cm2尺寸的钙钛矿太阳能电池的效率提高了20%以上。

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