Перовскитные солнечные батареи (Perovskite Solar Cells, PSCs), благодаря высокой эффективности фотоэлектрического преобразования (PCE), недорогой подготовке и другим преимуществам, стали горячей точкой для исследований в области фотоэлектрических технологий. Однако,Потери напряжения в открытом контуре (Voc)Это одно из основных узких мест, ограничивающих приближение его эффективности к теоретическому пределу. Потери Voc относятся к фактическому Voc батареи и « Shockley - Queisser (S - Q) Extreme Voc» (теория, основанная на разрыве между материалами)пределРазница в Voc, глубокое понимание его источника и механизма, является ключом к оптимизации производительности батареи.

Теоретическая основа потерь Voc: от предела S - Q до фактического значения

Чтобы понять потери Voc, необходимо сначала уточнить разницу между « теоретическим Voc» и « фактическим Voc»:

·Предел S - Q Voc:: На основе идеальной модели PN - перехода, определяемой только разрывом в полосе материала (EG), температурой (T) и спектром Солнца, формула:

Из них,JSCПлотность тока короткого замыкания,J»₀Для фактической плотности тока темного насыщения (значительное увеличение неидеальных факторов, таких как композит носителей и пограничный барьер).

Сущность потерь Voc: Неидеальные факторы приводятJ»₀Больше, чем идеалДж₀Или снижение эффективности разделения / переноса фотонных носителей * в конечном итоге приводит к тому, что фактический Voc ниже предела S - Q.

Основные источники и механизмы потерь Voc

В зависимости от « физического местоположения» и « звеньев действия», в которых происходят потери, потери Voc можно разделить насобственные потери(В результате перовскита) иНенужные потери(Интерфейс, дефект, вызываемый транспортным слоем носителей), конкретный механизм выглядит следующим образом:

i) Собственные потери: свойство, присущее организму перовскита

Собственные потери определяются собственной электронной структурой перовскита, динамикой носителей, нельзявсеУстранение "базовых потерь", в основном включает следующие две категории:

1. Зонный зазор - присущее Voc смещение ("* низкий предел" нерадиоактивных композиций)

В идеале Voc должен быть близок к "напряжению, соответствующему зазору" (EG / q, например FAPbI)АEG / Q EE 1.48 V), но даже без дефектовотличныйПеровскит, Voc тожесобственная неразлучающаяся рекомбинацияНиже EG / Q:

· Физическая сущность: верхняя часть валентной полосы (ВБМ) и нижняя часть полосы (КБМ) перовскита имеют « электронный хвост» (хвост Урбаха), который происходит от вибрации решетки (фонон) или электронно - электронных взаимодействий, что приводит к тому, что носители могут быть нерадиоактивными комплексами через « субзональные щелевые переходы» (например, электроны переходят от КБМ к хвостовому состоянию вблизи ВБМ, а затем высвобождают энергию через фонон).

· Диапазон потерь: такие внутренние потери обычно являются0,1 ~ 0,2 В(Например, перовскит EG = 1.5 eV, внутренний нижний предел Voc около 1.3 ~ 1.4 V) является источником разницы между S - Q пределом Voc и EG / q.

2. Неизлучающая рекомбинация носителей (преобладают дефекты тела)

В корпусе перовскитаСобственный дефект(Например, пустоты, атомы зазора) образуют « композитный центр», который ускоряет нерадиоцирующуюся композицию фотонных носителей, что непосредственно приводит к падению Voc:

Типичный тип дефекта:

· Йодные вакансииВ_Я⁺:: Иод метилтрихлорида свинца (FAPbI)АИод метилцезия - свинца (FACsPbI)А(В) * распространен, образует дефект неглубокого энергетического уровня, хотя способность захвата носителей энергии слаба, но продлевает комбинированный срок службы, косвенно уменьшает Voc;

· Свободные местаВ_Пб^{2 - -}атомы с йодным разрывомЯ_и^-:: Формирование дефектов глубокого энергетического уровня, которые могут эффективно захватывать электроны / дырки (например,В_Пб^{2 - -}(Захват дырок,Я_и^-Захват электронов) и последующая нерадиоактивная деактивация через « рекомбинацию Shockley - Read - Hall (SRH) » являются основными вкладчиками в потери Voc в организме.

· Характеристика потери: чем выше плотность дефекта тела (обычно используется « плотность дефектного состояния»)НТ"Измерение", чем быстрее скорость нерадиологической композиции,J'0Чем больше, тем значительнее потеря Voc (например, плотность дефекта увеличивается с 10 ^ 15cm ^ - 3 до 10 ^ 17cm ^ - 3), Voc может снижаться на 0,05 ~ 0,1 V).

(2) Несобственные потери: потери, вызванные структурой интерфейса и устройства

Непосредственные потери возникают из интерфейса между перовскитом и транспортным слоем носителей (ETL, HTL слоя передачи дырок), контакта электродов или дефектов самого транспортного слоя, которые являются основным направлением текущей оптимизации, на которые приходится более 60% общих потерь Voc.

1. Нерадиационная композиция на границе между перовскитом и транспортным слоем (* первичные неинтегрированные потери)

Перовскит и ETL (например, TiO)Дии SnOДиИнтерфейс HTL (например, Spiro - OmeTAD, PTAA) является ключевой областью для разделения носителей, но также и из - за « несоответствия уровней энергии» « дефект интерфейса » становится « зоной наибольшего бедствия для нерадиоактивных комплексов:

(1) Сочетание, вызванное несоответствием уровней энергии
Идеальный интерфейс должен соответствовать « выравниванию энергетических уровней» (например, дно ленты ETL ниже, чем у перовскита CBM, а верхняя часть ценовой полосы HTL выше, чем у перовскита VBM), чтобы облегчить разделение носителей; Если энергетический уровень не совпадает, образуется "потенциальный барьер" или "ловушка":

· Пример 1: ETL (например, TiO)ДиВысокое основание ленты (разница с CBM перовскита < 0.1 eV) → электроны трудно вводить ETL из перовскита, задерживающиеся электроны и дырки в интерфейсе;

· Пример 2: HTL (например, Spiro - OmeTAD) Слишком низкая верхняя часть ценовой полосы (разница с перовскитным VBM < 0.1 eV) → дырки трудно впрыскивать в HTL, накопление дырок интерфейса, композиция с электронами.

· Диапазон потерь: потеря Voc из - за рассогласования уровней0,05 ~ 0,15 В(Как TioДиИнтерфейс перовскита из - за дисбаланса энергетических уровней, Voc и SNOДи/Интерфейс перовскита низкий 0,08 ~ 0,1 В).

(2) Сочетание, вызванное дефектами интерфейса

Интерфейс между перовскитом и транспортным слоем имеет большое количество « подвесных ключей» « дефектов дислокации решетки» или « химических адсорбционных примесей » (например, OДии HДиO）， Формирование комплексных центров глубокого энергетического уровня:

· Типичный дефект: TiOДиУровень кислорода на поверхностиВ_о^{2 +}Он захватывает электроны в перовските, а затем объединяется с дырками, передаваемыми HTL; Пб² на поверхности перовскитаАНедостаток несоответствия (клавиша подвески) захватывает дырки и объединяется с электронами ETL.

· Характеристики потерь: скорость неинвазивной композиции интерфейса намного выше, чем у тела (из - за высокой концентрации носителей интерфейса и высокой плотности дефекта), что является основной причиной неэффективных потерь PSCs Voc (например, PSCs без модифицированного интерфейса, потери Voc могут достигать 0,3 ~ 0,4 V).

· Амплитуда потерь: Потери Voc, вызванные транспортным слоем, обычно составляют 0,03 ~ 0,1 В (например, SNO)ДиПосле оптимизации ETL, Voc может быть увеличен на 0,05 ~ 0,08 В).

2. Потери в транспортном слое носителей (ETL / HTL)

« Плохая проводимость» самого ETL или HTL « с большим количеством дефектов» может привести к блокировке переноса носителей и косвенному снижению Voc:

· Плохая проводимость: если HTL (например, Spiro - OmeTAD) имеет низкую подвижность дырок (< 10)Асм²/(В)・s)）， дырки накапливаются в HTL, что приводит к увеличению вероятности композиции электронов - дырок интерфейса;

· Собственные дефекты: ETL (например, SNO)ДиВ Sn²АДефекты образуют электронные ловушки, захватывающие электроны, вводимые из перовскита, что приводит к снижению эффективности транспортировки электронов и снижению Voc;

· Амплитуда потерь: Потери Voc, вызванные транспортным слоем, обычно0,03 ~ 0,1 В(Как SNOДиПосле оптимизации ETL, Voc может быть увеличен на 0,05 ~ 0,08 В).

3. Потери при контакте электродов

Металлические электроды (например, Au, Ag) имеют слишком большое контактное сопротивление с HTL или электроды вступают в прямой контакт с перовскитом (при отсутствии транспортного слоя), что приводит к композитам носителей:

· Сопротивление контакта: если сопротивление контакта HTL с электродом Au > 10 Ом・cm²， Ущерб трудно ввести электрод из HTL, что приводит к накоплению дырок, комбинированному увеличению;

· Прямой контакт: энергетический уровень Ферми металлического электрода не соответствует энергетическому уровню перовскита, образуя « барьер Шотки», который препятствует переносу носителей, в то время как атомы металла (например, Au) могут распространяться на перовскит, чтобы сформировать дефекты, усугубляющие композицию;

· Диапазон потерь: потеря контакта электрода обычно меньше (0,02 ~ 0,05 ВТем не менее, низкокачественная подготовка электродов (например, высокая температура при паровом покрытии Au) может значительно увеличить потери.

Методы количественной оценки и представления потерь Voc

Точное количественное определение и определение потерь Voc является предпосылкой оптимизации. Общие методы представления можно разделить на две категории: « количественная оценка макропотерь » и « микромеханический анализ»:

Стратегия оптимизации потерь Voc

Для вышеуказанных источников потерь текущее основное направление оптимизации фокусируется на « подавлении нерадиологической композиции» и « оптимизации выравнивания энергетических уровней», конкретные стратегии заключаются в следующем:

1. Пассификация дефектов тела: снижение собственных потерь

· Катионное легирование: САи RbАЧастичная замена FAА(Например, FACSPBI)А), подавление искажения решетки перовскита, уменьшение V_Я⁺В_Пб^{2 - -}Недостатки;

· анионное легирование: brАЧастичная замена IА(Как FAPBIДиBr）， сужение ширины хвоста Urbach, уменьшение внутренней неразлучающейся композиции;

· Дефектные пассивирующие агенты: добавление гуаниловой соли (например, GuaI), тиомерсала и т. Д. в предшественники перовскита, через координацию (например, N и Pb²)АСоединение) Дефекты пассивации поверхности / соматической фазы.

2. Интерфейсная инженерия: устранение несобственных основных потерь

· Пассификация интерфейса: с помощью AlДиОА、 Неорганические слои, такие как LiF, или органические молекулы, такие как PCBM и PEAI, модифицируют интерфейс ETL / перовскит, перовскит / HTL, заполняя подвесные клавиши и подавляя дефектные композиции (например, PEAI модифицирует поверхность перовскита, что позволяет Voc поднимать 0,1 - 0,15 V);

· Регулирование уровня энергии: легирование с помощью ETL (например, SNO)ДиДобавление WАСнижение дна ленты), модификация HTL (например, PTAA, легированная LiTFSI для повышения скорости миграции дырок), оптимизация выравнивания энергетических уровней интерфейса для содействия разделению носителей.

3. Оптимизация транспортного слоя: повышение эффективности переноса носителей

· Оптимизация ETL: с помощью SNOДиАльтернатива TiOДи(СНО)ДиБолее низкое дно полосы проводимости, лучшее соответствие энергетических уровней) или подготовка плотного, низкодефектного ETL через ALD (осаждение атомного слоя);

· Оптимизация HTL: разработка HTL с высокой степенью миграции (например, NiO)ₓНеорганический HTL, Миграция > 10А²см²/(В)・s)）， Замените Spiro - OmeTAD и уменьшите дефекты HTL и сопротивление.

4. Инновации в структуре устройства: сокращение потерь при контакте

· Структура бездырочного транспортного слоя (HTL - free): прямой контакт с перовскитом с помощью углеродных электродов, чтобы избежать дефектов HTL и проблем с затратами;

· Полностью неорганическая структура: с помощью CsPbIАПеровскит + неорганические ETL / HTL (например, TiO)Ди/ НиоₓПовышение стабильности при уменьшении интерфейсной композиции, вызванной органическим слоем.

V. РЕЗЮМЕ И ЗАДАЧИ

Потери Voc в перовскитных солнечных элементах являются результатом сочетания « собственных свойств» и « дефектов несобственных устройств», в которыхнеразлучённая рекомбинация на границе разделаирекомбинация с дефектами телаВ настоящее время является основным источником потерь. Благодаря « пассивации дефектов» « интерфейсной инженерии» « оптимизации энергетического уровня» Voc, который в настоящее время достигает высокого PSCs, был поднят с раннего 0,9 V до более чем 1,2 V (перовскит на основе EG E1.5 eV), но до предела S - Q все еще есть пространство для оптимизации 0,15 ~ 0,2 V.

Будущие задачи включают:

1. Как еще больше уменьшить « имманентные нерадиоактивные потери» (например, сужение хвоста Урбаха с помощью квантового ограничительного эффекта);

2. Разработка долговременного стабильного пассивирующего слоя во избежание выхода пассивирующего агента из строя в световых / гидротермальных условиях;

3. Обеспечение равномерного управления потерями Voc в устройствах большой площади (в настоящее время высокоэффективные устройства в основном имеют небольшую площадь, больше дефектов интерфейса большой площади и больше потерь Voc).

Углубленное понимание механизма потерь Voc и целевая оптимизация являются ключом к тому, чтобы эффективность перовскитных батарей превысила 30% (предел S - Q около 33%).