為研究人員提供如何在實(shí)驗(yàn)室中獨(dú)立測(cè)量開路電壓損耗的分步指南。
開始鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究時(shí)，人們可能想知道是否可以獨(dú)立確定開路電壓 (Voc) 損耗。令人鼓舞的答案是肯定的。根據(jù) Shockley-Queisser (SQ) 極限（太陽(yáng)能電池高效率的基準(zhǔn)），Voc 損耗可通過(guò)三種不同類型的損耗進(jìn)行量化。這些可以使用以下關(guān)系仔細(xì)計(jì)算：
圖像中描繪的數(shù)學(xué)關(guān)系概述了根據(jù) Shockley-Queisser 極限計(jì)算鈣鈦礦太陽(yáng)能電池開路電壓 (Voc) 損耗的方法。該理論框架規(guī)定 Voc 損耗由三個(gè)不同的部分組成：
ΔV1，熱力學(xué)損失，與將電子從太陽(yáng)能電池材料內(nèi)的原子鍵中釋放所需的能量有關(guān)。
ΔV2，由于輻射復(fù)合造成的損失，即電子與空穴復(fù)合并發(fā)射光子，導(dǎo)致本可以轉(zhuǎn)化為電能的勢(shì)能損失。
ΔV3，歸因于非輻射復(fù)合的損耗，其中其他機(jī)制（例如聲子相互作用）導(dǎo)致能量耗散而沒(méi)有光子發(fā)射。
在給定的公式中，“q"表示基本電荷，“ΔV"表示總開路電壓損失。通過(guò)測(cè)量帶隙能量 (Eg)、Shockley-Queisser 極限下的 Voc (V SQOC) 以及輻射復(fù)合的 Voc (VradOC)，研究人員可以計(jì)算其中的每一個(gè)損耗。這些值對(duì)于理解和優(yōu)化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能至關(guān)重要。帶隙能量 (Eg) 是太陽(yáng)能電池材料的基本屬性，而 V SQOC 和 VradOC 是分別反映理想和實(shí)際能量轉(zhuǎn)換場(chǎng)景的特定電壓。
該方程為研究人員提供了一個(gè)定量工具，可以剖析和分析太陽(yáng)能電池內(nèi)的具體損耗，最終使他們能夠制定策略，最大限度地減少這些損耗，并使太陽(yáng)能電池的效率更接近理論最大值。
為了測(cè)量這些值，研究人員可以使用提供的公式：
帶隙能量 (Eg) 與外部量子效率 (EQEPV) 對(duì)能量 (E) 的導(dǎo)數(shù)相關(guān)，這可以深入了解光伏材料將入射光子轉(zhuǎn)換為電能的效率。
V SQOC 使用玻爾茲曼常數(shù) (KT/q) 計(jì)算，同時(shí)考慮太陽(yáng)光譜 (ΦAM1.5) 和材料的黑體輻射光譜 (ΦBB)，它們分別代表最大潛在光伏響應(yīng)和理論黑體發(fā)射。
VradOC 還利用玻爾茲曼常數(shù)，并結(jié)合光伏器件的 EQE (EQEPV) 和太陽(yáng)光譜，提供僅考慮輻射過(guò)程的理想化電壓值。
該公式代表太陽(yáng)能電池的實(shí)際 Voc，包含電致發(fā)光外部量子效率 (EQEEL) 以及光伏量子效率和太陽(yáng)光譜。
這可以真實(shí)地測(cè)量太陽(yáng)能電池在光照時(shí)的電壓輸出。
通過(guò)將這些公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，研究人員可以定量評(píng)估鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能并確定改進(jìn)途徑。了解這些參數(shù)對(duì)于推進(jìn)太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)和效率以及突破太陽(yáng)能技術(shù)的極限至關(guān)重要。
為了得出這些值，我們需要精確測(cè)量帶隙能量 (Eg)、SQ 極限下的 Voc (V SQOC) 和輻射復(fù)合下的 Voc (VradOC)。這些分別代表太陽(yáng)能電池的帶隙、根據(jù) SQ 限制的理論開路電壓以及僅考慮輻射復(fù)合的開路電壓。
但如何測(cè)量這些關(guān)鍵物理量呢？讓我們定義一下這些術(shù)語(yǔ)：
鈣鈦礦帶隙、Shockley–Queisser (SQ) 極限、輻射復(fù)合、Voc 損耗計(jì)算
此外，利用二極管模型，理論上 Voc 可以通過(guò)以下方程確定：
Voc = 鈣鈦礦的開路電壓
借助 Enlitech ELCT-3010（現(xiàn)已升級(jí)為 Enlitech REPS 鈣鈦礦光伏 Voc 損耗分析系統(tǒng)），研究人員可以測(cè)量太陽(yáng)能電池的電致發(fā)光外量子效率 (EQEEL)。
要開始使用鈣鈦礦 Voc 損耗分析軟件 (SQ-VLA)，必須首先為測(cè)量和分析任務(wù)設(shè)定一個(gè)名稱。輸入來(lái)自 QE-R、IVS-KA6000 和 REPS 的數(shù)據(jù)后，軟件會(huì)快速處理并顯示結(jié)果，詳細(xì)說(shuō)明帶隙、SQ 極限 Voc、輻射復(fù)合的 Voc 以及三個(gè)損耗：ΔV1、ΔV2 和ΔV3。
通過(guò)并列對(duì)照和實(shí)驗(yàn)設(shè)置之間的 Voc 損失，我們可以清楚地了解實(shí)驗(yàn)變量的影響。調(diào)整是否能有效減少 Voc 損失？這個(gè)問(wèn)題的答案將揭示我們是否已經(jīng)成功提高了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的 Voc，使我們離充分發(fā)揮其潛力又近了一步。這種方法不僅加深了我們對(duì) Voc 損失機(jī)制的理解，而且推動(dòng)我們提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的整體效率。
圖 10. 鈣鈦礦開路電壓損耗分析軟件 (SQ-VLA) 的啟動(dòng)快照。
圖 10 顯示了 Enlitech 開發(fā)的鈣鈦礦開路電壓損耗分析軟件（稱為 SQ-VLA）的初始屏幕。該界面是研究人員輸入項(xiàng)目數(shù)據(jù)并開始分析太陽(yáng)能電池電壓損失過(guò)程的門戶。簡(jiǎn)單且用戶友好的輸入對(duì)話框提示用戶命名他們的項(xiàng)目，確保實(shí)驗(yàn)分析有組織且可追蹤的工作流程。輸入并確認(rèn)項(xiàng)目名稱后，該軟件就可以執(zhí)行 Voc 損失評(píng)估所需的復(fù)雜計(jì)算，為更高效的太陽(yáng)能電池技術(shù)的研究提供支持。
圖 11. QE-R、IVS-KA6000 和 REPS 的數(shù)據(jù)實(shí)施快照。
圖 11 顯示了 SQ-VLA 軟件的用戶界面，其中包含用于太陽(yáng)能電池開路電壓 (Voc) 損耗分析的數(shù)據(jù)輸入。該軟件旨在處理和分析光伏外量子效率 (PV-EQE) 數(shù)據(jù)、電致發(fā)光外量子效率 (EL-EQE) 數(shù)據(jù)以及被測(cè)設(shè)備 (DUT) 的電流-電壓 (IV) 特性。
在界面左側(cè)，用戶可以加載PV-EQE和EL-EQE所需的文件以及IV文件來(lái)啟動(dòng)分析。該數(shù)據(jù)輸入對(duì)于確定 ΔE1、ΔE2 和 ΔE3 損耗至關(guān)重要，它們分別對(duì)應(yīng)于熱力學(xué)損耗、輻射損耗和非輻射損耗。
界面的中心部分顯示 PV-EQE 和 IV 數(shù)據(jù)的圖表，提供有關(guān)不同波長(zhǎng)光伏器件效率及其在不同電壓條件下電氣性能的視覺(jué)反饋。
右側(cè)的 EL-EQE 數(shù)據(jù)圖繪制了太陽(yáng)能電池作為發(fā)光二極管 (LED) 在反向偏壓下工作時(shí)的效率與電流密度的關(guān)系。
圖表下方是 DUT 參數(shù)部分，其中包含器件的具體細(xì)節(jié)，例如帶隙能量 (Eg)、開路電壓 (Voc)、短路電流密度 (Jsc) 和 EL-EQE顯示短路情況。這些參數(shù)對(duì)于了解光伏器件的性能特征至關(guān)重要。
總體而言，SQ-VLA 軟件的快照展示了一個(gè)綜合平臺(tái)，使研究人員能夠加載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并立即了解 Voc 損失，從而使他們能夠評(píng)估并潛在地增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的性能。
圖 12. SQ-VLA 軟件顯示熱力學(xué)損失 ΔV1、輻射復(fù)合損失 ΔV2 和非輻射復(fù)合損失 ΔV3
圖 12 提供了 SQ-VLA 軟件界面的視圖，顯示了太陽(yáng)能電池電壓損耗的詳細(xì)分析。該軟件量化并說(shuō)明了三種主要類型的電壓損耗：熱力學(xué)損耗 (ΔV1)、輻射復(fù)合損耗 (ΔV2) 和非輻射復(fù)合損耗 (ΔV3)。
左側(cè)的“電壓損耗分析結(jié)果"部分列出了帶隙能量 (Eg) 以及 Shockley-Queisser 極限下的 Voc 計(jì)算值 (V SQOC)、輻射復(fù)合的 Voc (VradOC) 以及設(shè)備的實(shí)際 Voc。這些值對(duì)于了解太陽(yáng)能電池的效率和性能限制至關(guān)重要。
在其下方的“DUT 參數(shù)"部分中，顯示器件的具體參數(shù)，例如帶隙能量、測(cè)得的 Voc、短路電流密度 (Jsc) 以及短路條件下的 EL-EQE。這些參數(shù)作為分析的關(guān)鍵輸入。
右側(cè)的直方圖直觀地比較了每種類型的電壓損失的大小。條形代表理想 Voc 與實(shí)際 Voc 之間的定量差異，分為三類損耗。這種視覺(jué)表示使研究人員可以輕松地查明太陽(yáng)能電池中最重要的損耗區(qū)域，從而促進(jìn)有針對(duì)性的改進(jìn)以提高電池的性能。
因此，SQ-VLA 軟件提供了一個(gè)全面的工具，用于分析和了解影響太陽(yáng)能電池 Voc 的各種損耗，為優(yōu)化和研究開發(fā)提供寶貴的見解。
待續(xù)：2024年 革新鈣鈦礦太陽(yáng)電池性能：Voc損失分析的重要性！_PART4
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