真實(shí)世界的示例和案例研究展示了 Voc 損耗分析系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。
鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域充滿了旨在提高電池效率的研究，而 Voc 損失分析系統(tǒng)在這一探索中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。為了更深入地了解研究人員如何利用這些系統(tǒng)，我們整理了一系列開(kāi)創(chuàng)性論文，展示了 Voc-loss 分析的實(shí)際應(yīng)用。
這些精選文章是了解科學(xué)家為剖析和減輕開(kāi)路電壓損耗而采用的創(chuàng)新方法的窗口。他們提供了對(duì)可切實(shí)改善鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的策略的見(jiàn)解。例如，研究人員深入研究材料特性的復(fù)雜性，仔細(xì)研究不同成分如何影響 Voc 損失。他們探索了新制造技術(shù)的影響，這些技術(shù)增強(qiáng)了電池的結(jié)構(gòu)完整性，從而減少了非輻射復(fù)合損失。
除了材料和結(jié)構(gòu)改進(jìn)之外，文章還討論了器件架構(gòu)的微調(diào)，例如層厚優(yōu)化和界面工程，這些直接影響熱力學(xué)和輻射損耗。一些研究甚至超出了電池級(jí)別，擴(kuò)展到系統(tǒng)集成，研究 Voc 損耗分析如何為更高效的太陽(yáng)能模塊和陣列的開(kāi)發(fā)提供信息。
這些文章中揭示的 Voc 損耗分析系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用是多種多樣的，從基礎(chǔ)研究延伸到先進(jìn)的工程解決方案。通過(guò)了解這些研究中詳述的成功方法，研究人員和工程師可以復(fù)制并借鑒這些方法，推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域邁向更高效、更可持續(xù)的未來(lái)。
圖14：2021年9月，《先進(jìn)功能材料》（影響因子：18.808）刊登了北京航空航天大學(xué)的研究成果，證明最大限度地減少非輻射復(fù)合損耗（ΔV3）可以顯著提高太陽(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。
圖 14 顯示了北京航空航天大學(xué)發(fā)表的一項(xiàng)研究成果，該研究成果刊登在影響因子為 18.808 的期刊《Advanced Function Materials》2021 年 9 月號(hào)上。該研究強(qiáng)調(diào)了熱老化前驅(qū)體溶液促進(jìn)高效穩(wěn)定的準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)。
這些太陽(yáng)能電池的表征包括使用 Keithley 2400 源表在模擬單太陽(yáng) AM 1.5G 照明下獲得的 JV（電流-電壓）曲線，以及通過(guò) Enlitech SS-F5-3A 太陽(yáng)模擬器校準(zhǔn)的光強(qiáng)度。使用 Enlitech OE-R3011 太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量外部量子效率 (EQE) 光譜。這種高精度 EQE 數(shù)據(jù)是在空氣中捕獲的，無(wú)需封裝，使用帶有標(biāo)準(zhǔn)硅二極管的集成系統(tǒng)（PECT-600，Enlitech），確保光電流的精確調(diào)制和放大。
研究強(qiáng)調(diào)，通過(guò)減少非輻射復(fù)合損耗（記為ΔV3），可以顯著提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）。這一發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼜?qiáng)調(diào)了解決非輻射損耗以突破太陽(yáng)能電池性能極限的重要性。該論文進(jìn)一步鞏固了先進(jìn)材料和精密測(cè)量在光伏技術(shù)不斷發(fā)展中的作用。
拓展穩(wěn)定性之路：增強(qiáng) 3D 和準(zhǔn) 2D 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)可行性
雖然 3D 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池 (PSC) 已實(shí)現(xiàn)高達(dá) 25.5% 的功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE)，但其商業(yè)化進(jìn)程卻因固有的穩(wěn)定性問(wèn)題而受到阻礙。在這種背景下，Ruddlesden-Popper 準(zhǔn)二維鈣鈦礦以其材料穩(wěn)定性和可定制的特性成為有前途的替代品。盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，準(zhǔn) 2D PSC 仍遇到了電壓損耗較高的挑戰(zhàn)，與 3D PSC 相比，這限制了其 PCE。
圖15展示了研究團(tuán)隊(duì)使用Enlitech先進(jìn)設(shè)備測(cè)量的準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的層狀結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的電學(xué)和光學(xué)性能特征。層狀結(jié)構(gòu)（a）顯示了太陽(yáng)能電池的組成，包括帶隙約為1.60 eV的鈣鈦礦層（AA）2MA4Pb5I16，這有助于實(shí)現(xiàn)高效太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換。圖（b）可能呈現(xiàn)了太陽(yáng)能電池的電流密度-電壓（JV）曲線，比較了使用不同前體溶液（例如新鮮前體溶液（FPS）與熱老化前體溶液（TAPS））制備的電池的性能。該圖可能表明經(jīng)過(guò) TAPS 處理的電池表現(xiàn)出改善的 JV 特性，從而導(dǎo)致更高的開(kāi)路電壓。圖（c）可能顯示太陽(yáng)能電池的外量子效率（EQE）光譜和相應(yīng)的電流密度。這些測(cè)量對(duì)于了解太陽(yáng)能電池如何有效地將不同波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換為電能至關(guān)重要。FPS 和 TAPS 處理之間 EQE 的差異可以突出前體溶液老化過(guò)程對(duì)器件性能的影響。
針對(duì)這一問(wèn)題，影響因子為18.808的《先進(jìn)功能材料》于2021年9月發(fā)表了北京大學(xué)的一項(xiàng)關(guān)鍵研究。該研究團(tuán)隊(duì)使用熱老化前驅(qū)體溶液（TAPS）來(lái)解決二維PSC的電壓損失困境。
圖 16 利用 Enlitech 先進(jìn)的儀器套件（包括太陽(yáng)模擬器、QE-R 量子效率測(cè)量系統(tǒng)和 FTPS 傅立葉變換光電流系統(tǒng)），研究人員開(kāi)始進(jìn)行深入分析。他們的研究表明，帶隙約為 1.60 eV 的 (AA)2MA4Pb5I16 (n=5) 準(zhǔn)二維鈣鈦礦吸收體實(shí)現(xiàn)了破紀(jì)錄的 1.24 V 開(kāi)路電壓，將 PCE 提升至驚人的 18.68%。
該研究揭示了材料屬性和薄膜質(zhì)量之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用，明確指出非輻射復(fù)合損耗 ΔVoc 的減少是增強(qiáng) Voc 以及 PCE 的關(guān)鍵因素。研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)溶液進(jìn)行熱老化會(huì)促進(jìn)膠體聚集，從而減少成核位點(diǎn)的數(shù)量。該過(guò)程最終形成高品質(zhì)準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜，其特征在于致密的形態(tài)、最佳的晶體取向和最小的陷阱密度。
此外，改進(jìn)的薄膜質(zhì)量顯著增強(qiáng)了 PSC 的熱穩(wěn)定性。這種增強(qiáng)很大程度上歸因于銀電極腐蝕的有效減少，這種腐蝕通常因離子遷移而加劇。這種創(chuàng)新方法不僅提高了準(zhǔn)二維PSC的性能，而且標(biāo)志著實(shí)現(xiàn)高效耐用的鈣鈦礦光伏器件的重大進(jìn)步。正如研究表明的那樣，這些進(jìn)步可以在更廣泛的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，標(biāo)志著在同等程度上支持效率和穩(wěn)定性的處理方法的新方向。
圖 17 Science 期刊文章詳細(xì)介紹了銣陽(yáng)離子對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的影響，顯示通過(guò)減少非輻射復(fù)合損失提高了效率。
《科學(xué)》期刊文章討論了通過(guò)將銣陽(yáng)離子摻入鈣鈦礦太陽(yáng)能電池來(lái)增強(qiáng)光伏性能。該文章可能詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明添加銣如何提高太陽(yáng)能電池的效率。
在圖 17 中，通常有一條 JV 曲線（電流密度與電壓的關(guān)系圖），該曲線顯示了摻入銣的太陽(yáng)能電池與不含銣的對(duì)照樣品相比的電氣特性。此外，電致發(fā)光（EL）效率圖將顯示電流通過(guò)時(shí)電池如何發(fā)光，這與電池?zé)o損失地重組電荷的能力直接相關(guān)。第三張圖通常說(shuō)明外部量子效率（EQE），測(cè)量細(xì)胞在不同波長(zhǎng)的光下將光子轉(zhuǎn)換為電子的能力。
此類研究強(qiáng)調(diào)了理解和最小化開(kāi)路電壓損失（尤其是非輻射復(fù)合引起的開(kāi)路電壓損失）的重要性，以突破鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率界限。此類研究的結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的未來(lái)設(shè)計(jì)和材料成分以提高性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。
圖 18 《Nature Photonics》關(guān)于通過(guò)表面鈍化提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率的文章，說(shuō)明了解決開(kāi)路電壓損耗和電致發(fā)光效率的關(guān)鍵作用。
在《Nature Photonics》上發(fā)表的論文“Surface passivation of perovskite film for effective Solar cells"中，利用了 Voc-loss 分析方法。研究人員在了解鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的高效運(yùn)行方面取得了重大進(jìn)展。該方法將電壓損耗分解為三個(gè)關(guān)鍵部分：熱力學(xué)損耗、輻射損耗和非輻射損耗，如 Shockley-Queisser 極限所述。Nature Photonics 的圖像直觀地傳達(dá)了這些概念，顯示了 EL 光譜，表明電池在不損失能量的情況下將光轉(zhuǎn)化為電能的程度。通過(guò)分析不同電壓下的光譜，研究人員可以辨別鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量和表面鈍化的功效，這與非輻射損耗的減少直接相關(guān)，從而提高整體效率。這種綜合方法不僅加深了對(duì)鈣鈦礦電池行為的理解，而且推動(dòng)了先進(jìn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展。
Voc-loss分析方法是研究人員開(kāi)發(fā)高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的重要工具。正如能源與環(huán)境科學(xué)的圖片所示，“電子傳輸層的能級(jí)工程，用于提高染料和鈣鈦礦基太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓"，該方法涉及詳細(xì)的電致發(fā)光（EL）測(cè)量，這是至關(guān)重要的識(shí)別電壓損失。左圖顯示了 EL 強(qiáng)度，可深入了解不同施加電壓下的電荷復(fù)合效率。右圖顯示了電流-電壓關(guān)系，其中曲線位移表明由于能級(jí)工程而導(dǎo)致開(kāi)路電壓的改善。這種分析使研究人員能夠微調(diào)電子傳輸層，直接解決非輻射損失，以提高整體電池性能并推動(dòng)技術(shù)向前發(fā)展。
為了追求先進(jìn)的太陽(yáng)能電池技術(shù)，特別是 Voc 損耗的研究，有一些關(guān)鍵的精密儀器可以作為綜合分析的重要工具：
高靈敏度外部量子效率測(cè)量工具 (FTPS)
– 該工具以靈敏度開(kāi)發(fā)，在測(cè)量外部量子效率 (HS-EQE) 中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它對(duì)于揭示亞帶隙吸收事件和表征太陽(yáng)能電池的損耗尤為重要，使研究人員能夠獲得更準(zhǔn)確的分析和結(jié)果。
Voc 損耗分析系統(tǒng) (REPS)
– REPS 系統(tǒng)專為解決鈣鈦礦和有機(jī)光伏電池中的 Voc 損耗分析而設(shè)計(jì)，其對(duì) Voc 損耗的精確測(cè)量有助于優(yōu)化太陽(yáng)能電池效率。該系統(tǒng)為那些旨在完善和改進(jìn)太陽(yáng)能電池技術(shù)研究的人們提供了寶貴的工具。
集成 Voc 損耗分析軟件 (SQ-VLA)
– SQ-VLA 軟件是一款全面的解決方案，可與上述工具無(wú)縫集成，為詳細(xì)的 Voc 損耗分析提供直觀的界面。這一重要工具旨在幫助研究人員努力了解和提高太陽(yáng)能電池的性能。
這些精密儀器共同構(gòu)成了太陽(yáng)能電池分析的強(qiáng)大工具包。它們使研究人員能夠有效識(shí)別 Voc 損失來(lái)源并制定有效的改進(jìn)策略。有關(guān)這些儀器的詳細(xì)規(guī)格和使用信息，建議參閱提供的產(chǎn)品頁(yè)面。請(qǐng)記住，在太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域，精度和準(zhǔn)確性是關(guān)鍵，而這些工具的作用就是為了促進(jìn)這一點(diǎn)。
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