突破25%效率壁垒：钙钛矿太阳能电池中光伏参数的多维度协同优化

 

效率与稳定性：钙钛矿太阳能电池因其高效率（超过25%）和潜在的商业化前景而受到关注。其效率依赖于光学、形貌和电学性质。

 

 

钙钛矿材料特性：钙钛矿材料具有可调节的带隙、高吸收系数、长电子-空穴扩散长度、高电荷载流子迁移率等优点，使其在光伏技术中具有广泛的应用前景。

 

 

钙钛矿太阳能电池（PSCs）的工作原理

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钙钛矿太阳能电池的工作原理

 

 

光吸收：太阳光照射到钙钛矿层（光吸收层），光子能量被钙钛矿材料吸收。吸收光子能量后，钙钛矿层中的电子从价带跃迁到导带，从而产生电子-空穴对（光生载流子）。

 

 

载流子分离：产生的电子和空穴在内建电场的作用下分离。内建电场是由电子传输层（ETL）和空穴传输层（HTL）与钙钛矿层之间的能级差形成的。电子被推向ETL，空穴被推向HTL。

 

 

载流子传输：分离后的电子通过ETL传输到负极（通常为金属电极）。分离后的空穴通过HTL传输到正极（通常为金属电极）。

 

 

电流生成：电子和空穴分别被负极和正极收集，并通过外部电路形成电流。电流可以通过逆变器放大，用于不同的光电应用。

影响钙钛矿电池性能的因素

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带隙的影响

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调节带隙来提高PSC效率的实验结果

 

 

带隙调节方法：通过掺杂RbI和KI等元素，调节锡基钙钛矿材料的带隙。

 

 

效率提升：通过调节带隙，锡基钙钛矿太阳能电池的效率可以显著提高，最高达到了21.04%。

 

 

最佳带隙范围：图中展示了在某个特定带隙范围内，电池效率达到最高值，为实际应用提供了指导。

 

 

电子传输层和空穴传输层材料的选择

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ETL、钙钛矿层和HTL的能量带图

 

 

ETL和HTL的能级对齐：ETL的导带应低于钙钛矿层的导带，HTL的价带应高于钙钛矿层的价带，以确保有效的载流子传输。

 

 

CBO和VBO：适当的CBO和VBO可以减少载流子复合，提高电池效率。

 

 

电子亲和能和带隙：图中展示了ETL、钙钛矿层和HTL的电子亲和能和带隙，帮助理解能级对齐的具体参数。

 

 

ETL和HTL材料与钙钛矿材料的匹配情况

 

 

ETL材料：ZnO、TiO2、SnO2、GO、CdS等；HTL材料：CuI、MoO3、P3HT、NiO、Cu2O等，每种材料都有其独特的性能特点。

 

 

材料对比：不同ETL和HTL材料的性能特点：包括电子亲和能、带隙、迁移率、制备温度等。不同ETL和HTL材料与钙钛矿层的能级对齐情况，有助于判断不同材料组合对电池性能的影响。

 

 

界面处的能带偏移情况及对电荷载流子复合和电流密度-电压曲线

 

 

CBO和VBO的定义：CBO表示ETL与钙钛矿层之间的导带能量差，VBO表示HTL与钙钛矿层之间的价带能量差。

 

 

载流子复合的减少：适当的CBO和VBO可以减少载流子的复合，提高电池的效率和稳定性。

J-V曲线的影响：适当的CBO可以显著提高电池的填充因子（FF）和短路电流密度（Jsc），从而提高光电转换效率（PCE）。

 

 

薄膜层厚度的影响

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薄膜钙钛矿太阳能电池的SEM图像和平面结构

 

 

薄膜钙钛矿太阳能电池的截面结构，包括FTO、ETL、钙钛矿层、HTL和金属电极的厚度。

 

 

钙钛矿层厚度：钙钛矿层的主要功能是吸收太阳光并产生光生载流子。如果钙钛矿层过薄，光吸收不足，导致光电流降低；如果过厚，会导致载流子复合增加，效率降低。通常，厚度需要在几百纳米到几微米之间，以平衡光吸收和载流子传输。

 

 

ETL厚度：ETL的厚度影响电子的传输效率和电池的串联电阻。通常在几十纳米到几百纳米之间，以确保电子传输效率和减少串联电阻。

 

 

HTL厚度：HTL的厚度影响空穴的传输效率和电池的串联电阻。通常在100纳米到200纳米之间，以确保空穴传输效率和减少串联电阻。

 

 

串联电阻：串联电阻主要由电池的非均匀形貌、电路连接、接触电阻等因素引起。通过优化ETL和HTL的厚度，可以减少串联电阻，提高电池性能。

 

 

缺陷密度的影响

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钙钛矿材料中存在的各种缺陷类型

 

 

缺陷类型：空位（晶格点上缺少原子或离子）、间隙（原子或离子位于晶格的间隙中）、位错（晶格中的线缺陷，导致晶格畸变）、晶界（不同晶体颗粒之间的边界）、弗伦克尔缺陷（原子或离子从晶格点移动到间隙中）、肖特基缺陷（晶格中同时存在多个空位）

 

 

缺陷的影响：

 

 

载流子复合：这些缺陷可以作为陷阱态，捕获电子或空穴，导致载流子复合增加，降低电池效率。

 

 

电学不稳定性：缺陷会引入额外的能态，影响载流子的传输和电池的电学稳定性。

 

 

热稳定性：缺陷可能影响材料的热稳定性，导致在高温下分解或降解。

串联电阻的影响

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串联电阻是指在太阳能电池中，从光生载流子的产生到最终被外部电路收集的过程中，遇到的所有电阻的总和。

 

 

串联电阻对PSC电流密度-电压曲线的影响

 

 

串联电阻（Rs）：表示从光生载流子的产生到最终被外部电路收集的过程中遇到的所有电阻的总和。

 

 

并联电阻（Rsh）：表示电池内部的漏电流路径的电阻。

 

 

J-V曲线的影响：串联电阻增加会导致J-V曲线的斜率增加，FF降低，Jsc下降。

 

 

工作温度的影响

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工作温度对电流密度-电压（J-V）曲线的影响

 

 

开路电压（Voc）：随着温度升高，Voc通常会降低。这是因为高温增加载流子的热激发，导致更多的载流子复合。

 

 

短路电流密度（Jsc）：温度对Jsc的影响较小，但在高温下，光吸收可能会略有变化，从而影响Jsc。

 

 

填充因子（FF）：高温会降低FF，因为串联电阻的影响会随着温度升高而加剧。

 

 

光电转换效率（PCE）：综合以上因素，高温通常会导致PCE降低。

 

 

钙钛矿太阳能电池在全球能源需求日益增长的背景下，凭借其独特的性能优势展现出巨大的发展潜力。尽管目前在效率提升、稳定性优化以及合成与商业化方面面临诸多挑战。通过对光伏参数的深入研究和不断优化，如精确调控带隙、合理选择ETL和HTL材料、优化各层厚度、降低缺陷密度、减少串联电阻以及增强对温度影响的适应性等，有望突破现有瓶颈。

 

 

美能钙钛矿膜厚测试仪

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美能钙钛矿膜厚测试仪利用光学干涉原理，通过分析薄膜表面反射光和薄膜与基底界面反射光相干涉形成的光谱，快速、连续监测工业产线上各式薄膜的厚度以及光学常数，快速准确测量薄膜厚度、光学常数等信息。

 

 

膜厚测试范围：20nm~2000nm

 

 

膜厚测试精度：±1nm

 

 

膜厚重复性测量精度：＜1%（100次连续测试）

 

 

在钙钛矿太阳能电池（PSC）的研发与生产过程中，精确控制和测量钙钛矿层及其他功能层的厚度是确保器件性能的关键环节。美能钙钛矿膜厚测试仪凭借其高精度、高灵敏度和快速测量的特点，为科研人员和工程师提供了一种可靠且高效的解决方案。

原文参考：Photovoltaic Parameters Affecting the Efficiency and Stability of Perovskite Photovoltaic Devices

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