鈣鈦礦太陽電池中開路電壓損失的實驗室測量指南

• 為研究人員提供如何在實驗室中獨立測量開路電壓損耗的分步指南。

開始鈣鈦礦太陽能電池研究時，人們可能想知道是否可以獨立確定開路電壓 (Voc) 損耗。令人鼓舞的答案是肯定的。根據 Shockley-Queisser (SQ) 極限（太陽能電池高效率的基準），Voc 損耗可通過三種不同類型的損耗進行量化。這些可以使用以下關系仔細計算：

圖像中描繪的數學關系概述了根據 Shockley-Queisser 極限計算鈣鈦礦太陽能電池開路電壓 (Voc) 損耗的方法。該理論框架規定 Voc 損耗由三個不同的部分組成：

1. ΔV1，熱力學損失，與將電子從太陽能電池材料內的原子鍵中釋放所需的能量有關。

2. ΔV2，由于輻射復合造成的損失，即電子與空穴復合并發射光子，導致本可以轉化為電能的勢能損失。

3. ΔV3，歸因于非輻射復合的損耗，其中其他機制（例如聲子相互作用）導致能量耗散而沒有光子發射。

在給定的公式中，“q”表示基本電荷，“ΔV”表示總開路電壓損失。通過測量帶隙能量 (Eg)、Shockley-Queisser 極限下的 Voc (V SQOC) 以及輻射復合的 Voc (VradOC)，研究人員可以計算其中的每一個損耗。這些值對于理解和優化鈣鈦礦太陽能電池的性能至關重要。帶隙能量 (Eg) 是太陽能電池材料的基本屬性，而 V SQOC 和 VradOC 是分別反映理想和實際能量轉換場景的特定電壓。

該方程為研究人員提供了一個定量工具，可以剖析和分析太陽能電池內的具體損耗，最終使他們能夠制定策略，最大限度地減少這些損耗，并使太陽能電池的效率更接近理論最大值。

為了測量這些值，研究人員可以使用提供的公式：

1. 帶隙能量 (Eg) 與外部量子效率 (EQEPV) 對能量 (E) 的導數相關，這可以深入了解光伏材料將入射光子轉換為電能的效率。

2. V SQOC 使用玻爾茲曼常數 (KT/q) 計算，同時考慮太陽光譜 (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和理論黑體發射。

3. VradOC 還利用玻爾茲曼常數，并結合光伏器件的 EQE (EQEPV) 和太陽光譜，提供僅考慮輻射過程的理想化電壓值。

該公式代表太陽能電池的實際 Voc，包含電致發光外部量子效率 (EQEEL) 以及光伏量子效率和太陽光譜。

這可以真實地測量太陽能電池在光照時的電壓輸出。

通過將這些公式與實驗數據相結合，研究人員可以定量評估鈣鈦礦太陽能電池的性能并確定改進途徑。了解這些參數對于推進太陽能電池的設計和效率以及突破太陽能技術的極限至關重要。

為了得出這些值，我們需要精確測量帶隙能量 (Eg)、SQ 極限下的 Voc (V SQOC) 和輻射復合下的 Voc (VradOC)。這些分別代表太陽能電池的帶隙、根據 SQ 限制的理論開路電壓以及僅考慮輻射復合的開路電壓。

但如何測量這些關鍵物理量呢？讓我們定義一下這些術語：

鈣鈦礦帶隙、Shockley–Queisser (SQ) 極限、輻射復合、Voc 損耗計算

此外，利用二極管模型，理論上 Voc 可以通過以下方程確定：

Voc = 鈣鈦礦的開路電壓

借助 Enlitech ELCT-3010（現已升級為 Enlitech REPS 鈣鈦礦光伏 Voc 損耗分析系統），研究人員可以測量太陽能電池的電致發光外量子效率 (EQEEL)。

要開始使用鈣鈦礦 Voc 損耗分析軟件 (SQ-VLA)，必須首先為測量和分析任務設定一個名稱。輸入來自 QE-R、IVS-KA6000 和 REPS 的數據后，軟件會快速處理并顯示結果，詳細說明帶隙、SQ 極限 Voc、輻射復合的 Voc 以及三個損耗：ΔV1、ΔV2 和ΔV3。

通過并列對照和實驗設置之間的 Voc 損失，我們可以清楚地了解實驗變量的影響。調整是否能有效減少 Voc 損失？這個問題的答案將揭示我們是否已經成功提高了鈣鈦礦太陽能電池的 Voc，使我們離充分發揮其潛力又近了一步。這種方法不僅加深了我們對 Voc 損失機制的理解，而且推動我們提高鈣鈦礦太陽能電池的整體效率。

圖 10. 鈣鈦礦開路電壓損耗分析軟件 (SQ-VLA) 的啟動快照。

圖 10 顯示了 Enlitech 開發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目數據并開始分析太陽能電池電壓損失過程的門戶。簡單且用戶友好的輸入對話框提示用戶命名他們的項目，確保實驗分析有組織且可追蹤的工作流程。輸入并確認項目名稱后，該軟件就可以執行 Voc 損失評估所需的復雜計算，為更高效的太陽能電池技術的研究提供支持。

圖 11. QE-R、IVS-KA6000 和 REPS 的數據實施快照。

圖 11 顯示了 SQ-VLA 軟件的用戶界面，其中包含用于太陽能電池開路電壓 (Voc) 損耗分析的數據輸入。該軟件旨在處理和分析光伏外量子效率 (PV-EQE) 數據、電致發光外量子效率 (EL-EQE) 數據以及被測設備 (DUT) 的電流-電壓 (IV) 特性。

在界面左側，用戶可以加載PV-EQE和EL-EQE所需的文件以及IV文件來啟動分析。該數據輸入對于確定 ΔE1、ΔE2 和 ΔE3 損耗至關重要，它們分別對應于熱力學損耗、輻射損耗和非輻射損耗。

界面的中心部分顯示 PV-EQE 和 IV 數據的圖表，提供有關不同波長光伏器件效率及其在不同電壓條件下電氣性能的視覺反饋。

右側的 EL-EQE 數據圖繪制了太陽能電池作為發光二極管 (LED) 在反向偏壓下工作時的效率與電流密度的關系。

圖表下方是 DUT 參數部分，其中包含器件的具體細節，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。這些參數對于了解光伏器件的性能特征至關重要。

總體而言，SQ-VLA 軟件的快照展示了一個綜合平臺，使研究人員能夠加載實驗數據并立即了解 Voc 損失，從而使他們能夠評估并潛在地增強太陽能電池的性能。

圖 12. SQ-VLA 軟件顯示熱力學損失 ΔV1、輻射復合損失 ΔV2 和非輻射復合損失 ΔV3

圖 12 提供了 SQ-VLA 軟件界面的視圖，顯示了太陽能電池電壓損耗的詳細分析。該軟件量化并說明了三種主要類型的電壓損耗：熱力學損耗 (ΔV1)、輻射復合損耗 (ΔV2) 和非輻射復合損耗 (ΔV3)。

左側的“電壓損耗分析結果”部分列出了帶隙能量 (Eg) 以及 Shockley-Queisser 極限下的 Voc 計算值 (V SQOC)、輻射復合的 Voc (VradOC) 以及設備的實際 Voc。這些值對于了解太陽能電池的效率和性能限制至關重要。

在其下方的“DUT 參數”部分中，顯示器件的具體參數，例如帶隙能量、測得的 Voc、短路電流密度 (Jsc) 以及短路條件下的 EL-EQE。這些參數作為分析的關鍵輸入。

右側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 與實際 Voc 之間的定量差異，分為三類損耗。這種視覺表示使研究人員可以輕松地查明太陽能電池中最重要的損耗區域，從而促進有針對性的改進以提高電池的性能。

因此，SQ-VLA 軟件提供了一個全面的工具，用于分析和了解影響太陽能電池 Voc 的各種損耗，為優化和研究開發提供寶貴的見解。

待續：2024年 革新鈣鈦礦太陽電池性能：Voc損失分析的重要性！_PART4

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