HDR光致发光测量站:严庚华博士负责了大部分的测量工作。图片来源:Forschungszentrum j
lich/Ralf-Uwe Limbach
Forschungszentrum j
钙钛矿太阳能电池以其高效率和相对较低的生产成本而闻名，一直让研究人员感到惊讶。最近，Forschungszentrum j
lich的科学家们使用一种创新的光致发光测量方法揭示了这些细胞的新方面。他们发现，在这种类型的电池中，电荷载流子的损失遵循着与大多数半导体不同的物理定律。这种独特的行为可以解释细胞令人印象深刻的效率。这些发现发表在《自然材料》杂志上。
钙钛矿太阳能电池被认为是极有前途的光伏电池，即使它们的稳定性还有待改进。这种类型的电池打印成本低廉，效率很高。在过去的十年里，它们的效率翻了一番，达到25%以上，因此目前与传统的硅太阳能电池相当。未来还可能有进一步的改进。
“这里的一个重要因素是激发态载流子在材料中停留多久的问题，换句话说，就是它们的寿命，”Thomas Kirchartz解释说。“了解这些过程对于进一步提高钙钛矿基太阳能电池的效率至关重要。”这位电气工程师是Forschungszentrum j
lich能源与气候研究所(IEK-5)有机和混合太阳能电池工作组的负责人。
一生才是最重要的
在太阳能电池中，电子被光子位移，从价带到导带上升到更高的能级。只有这样，它们才能更自由地移动并流经外部电路。如果它们的寿命足够长，可以使它们通过吸收材料到达电接触点，那么它们只能对电能产生贡献。一个被激发的电子也会在下面的价带中留下一个空穴——一个可以像正电荷载体一样在材料中移动的移动空位。
主要是晶格中的缺陷保证了被激发的电子迅速回落到较低的能级。然后，受影响的电子不再能够为电流做出贡献。“这种机制也被称为重组，是每个太阳能电池的主要损耗过程，”Kirchartz说。
Thomas Kirchartz教授正在使用创新的分析方法来研究新的可打印太阳能电池，例如卤化物钙钛矿或分子半导体。图片来源:Forschungszentrum j
重组对效率至关重要
没有太阳能电池在原子层面上是完美的;由于制造工艺的原因，每一个都有不同类型的缺陷。这些缺陷或晶格结构中的外来原子是电子和空穴倾向于聚集在一起的集结点。然后电子回落到价带，在发电方面变得毫无价值。
“以前的假设是，重组主要是由位于价带和导带之间的能量缺陷触发的。这是因为这些深层缺陷同样可以被激发的电子及其对应的空穴所接近。”事实上，对于大多数类型的太阳能电池来说，这可能是正确的。
浅缺陷占主导地位
然而，Kirchartz和他的团队现在已经推翻了钙钛矿太阳能电池的这一假设，并表明浅缺陷最终决定了它们的最终效率。与深缺陷不同，它们不是位于带隙的中间，而是非常靠近价带或导带。
“这种不寻常行为的原因还没有完全澄清，”Kirchartz补充说。“我们有理由认为这些材料中不可能存在深度缺陷。这种限制也可能是电池效率特别高的原因之一。”
扩展动态范围的HDR测量新技术
只有通过创新的瞬态光致发光测量才有可能观察到这一点。在以前的测量中，不可能区分由浅缺陷引起的损失过程和由其他因素引起的损失过程。
与传统技术相比，由Forschungszentrum j
lich的Thomas Kirchartz和他的团队开发的新测量方法提供的数据具有显着增加的动态范围，即在更大的测量范围内的数据和更好的精细分级。该过程基于与高动态范围质量的HDR图像类似的原理。相机的动态范围通过叠加不同的图像或测量值(在这种情况下，是不同放大水平的信号)来创建一个数据集来增加。
参考文献:“三阳离子钙钛矿的浅缺陷和可变光致发光衰减时间高达280μs”，作者:Ye Yuan, Genghua Yan, Chris Dreessen, Toby Rudolph, Markus hlsbeck, Benjamin Klingebiel, Jiajiu Ye, Uwe Rau和Thomas Kirchartz, 2024年1月9日，Nature Materials。DOI: 10.1038 / s41563 - 023 - 01771 - 2
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