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)家為剖析和減輕開路電壓損耗而采用的創(chuàng)新方法的窗口。他們提供了對可切實(shí)改善鈣鈦礦太陽能電池性能的策略的見解。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能模塊和陣列的開發(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)鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域邁向更高效、更可持續(xù)的未來。
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)二維鈣鈦礦太陽能電池的開發(fā)。
這些太陽能電池的表征包括使用 Keithley 2400 源表在模擬單太陽 AM 1.5G 照明下獲得的 JV（電流-電壓）曲線，以及通過 Enlitech SS-F5-3A 太陽模擬器校準(zhǔn)的光強(qiáng)度。使用 Enlitech OE-R3011 太陽能電池光譜響應(yīng)測量系統(tǒng)測量外部量子效率 (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)，通過減少非輻射復(fù)合損耗（記為ΔV3），可以顯著提高鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(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 鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)可行性
雖然 3D 鈣鈦礦太陽能電池 (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)備測量的準(zhǔn)二維鈣鈦礦太陽能電池的層狀結(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)高效太陽能轉(zhuǎn)換。圖（b）可能呈現(xiàn)了太陽能電池的電流密度-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 TAPS 處理的電池表現(xiàn)出改善的 JV 特性，從而導(dǎo)致更高的開路電壓。圖（c）可能顯示太陽能電池的外量子效率（EQE）光譜和相應(yīng)的電流密度。這些測量對于了解太陽能電池如何有效地將不同波長的光轉(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程對器件性能的影響。
針對這一問題，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（包括太陽模擬器、QE-R 量子效率測量系統(tǒng)和 FTPS 傅立葉變換光電流系統(tǒng)），研究人員開始進(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)介紹了銣陽離子對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響，顯示通過減少非輻射復(fù)合損失提高了效率。
《科學(xué)》期刊文章討論了通過將銣陽離子摻入鈣鈦礦太陽能電池來增強(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能電池與不含銣的對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)。第三張圖通常說明外部量子效率（EQE），測量細(xì)胞在不同波長的光下將光子轉(zhuǎn)換為電子的能力。
此類研究強(qiáng)調(diào)了理解和最小化開路電壓損失（尤其是非輻射復(fù)合引起的開路電壓損失）的重要性，以突破鈣鈦礦太陽能電池的效率界限。此類研究的結(jié)果對于指導(dǎo)鈣鈦礦太陽能電池的未來設(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)于通過表面鈍化提高鈣鈦礦太陽能電池效率的文章，說明了解決開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鈣鈦礦電池行為的理解，而且推動(dòng)了先進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的發(fā)展。
Voc-loss分析方法是研究人員開發(fā)高效鈣鈦礦太陽能電池的重要工具。正如能源與環(huán)境科學(xué)的圖片所示，“電子傳輸層的能級工程，用于提高染料和鈣鈦礦基太陽能電池的開路電壓"，該方法涉及詳細(xì)的電致發(fā)光（EL）測量，這是至關(guān)重要的識別電壓損失。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工程而導(dǎo)致開路電壓的改善。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量工具 (FTPS)
– 該工具以靈敏度開發(fā)，在測量外部量子效率 (HS-EQE) 中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它對于揭示亞帶隙吸收事件和表征太陽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 Voc 損耗的精確測量有助于優(yōu)化太陽能電池效率。該系統(tǒng)為那些旨在完善和改進(jìn)太陽能電池技術(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能電池的性能。
這些精密儀器共同構(gòu)成了太陽能電池分析的強(qiáng)大工具包。它們使研究人員能夠有效識別 Voc 損失來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)品頁面。請記住，在太陽能電池研究領(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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