一种基于扩展肖克莱方程的钙钛矿太阳能电池分析方法技术

本发明专利技术涉及一种基于扩展肖克莱方程的钙钛矿太阳能电池分析方法

【技术实现步骤摘要】
一种基于扩展肖克莱方程的钙钛矿太阳能电池分析方法


[0001]本专利技术属于太阳能电池评估和分析
，具体涉及一种基于扩展肖克莱方程的钙钛矿太阳能电池分析方法
。

技术介绍

[0002]钙钛矿太阳能电池提供了一种可以清洁
、
可持续和低成本利用太阳能的最重要方式
。
近年来，钙钛矿太阳能电池的功率转换效率
(PCE)
有了很大的提高
。
通常，在钙钛矿太阳能电池中，钙钛矿层夹在一层电子传输层
(ETL)
和一层空穴输运层
(HTL)
之间
。
传输层将光生电子提取到阴极，空穴提取到阳极，减少光生载流子的积累和复合
。
因此，对电荷提取性能和复合的评估在太阳能电池研发和实时诊断过程中非常重要
。
[0003]研究表明，电荷传输层
(TLs)
的电导率和能带对钙钛矿太阳能电池的性能有很大的影响
。
传统的肖克莱方程提供了一种描述太阳能电池
J
‑
V
曲线的简便方法
。
[0004](
一
)
肖克莱方程描述了太阳能电池基本电学特性
。
肖克莱方程表述为：
[0005][0006]式中，
q
为电子电荷，
k
B
为玻尔兹曼常数，
T
为温度，
J
ph
为光生电流密度，
j0为反向饱和电流密度，
n
id
为理想因子
。
肖克莱方程描述了太阳能电池基本电学特性，给出了典型的
J
‑
V
曲线和
J
‑
V
特征参数：开路电压短路电流
(J
SC
＝
J
ph
)
，填充因子功率转换效率
(PCE
＝
FF
×
J
SC
V
OC
/W0)
，其中
W0为单位面积照明功率，
J
MPP
和
V
MPP
分别为最大功率点电流密度和电压
。
[0007](
二
)
肖克莱方程是分析载流子复合和电压损失的有力工具
。
[0008]引入非辐射复合，
J
‑
V
关系表示为：
[0009][0010]其中第一项对应于辐射复合
,J
R
是暗饱和电流密度
。
第二项和第三项分别对应于非辐射
Shocley
‑
Read
‑
Hall
复合电流密度和孪生复合电流密度，以及对应的暗饱和电流密度
J
R,1
和
J
R,2
。
第四项对应于俄歇复合电流密度以及对应的暗饱和电流密度
J
R,A
。
[0011](
三
)
传统肖克莱方程暗含有多个合理的近似处理方法
。
[0012]式
(1)
和式
(2)
表示的肖克莱，没有考虑载流子漂移
‑
扩散过程和传输层
。
这两个方程是在理想的电荷提取条件下使用的，即无限提取
。
在这种条件下，太阳能电池有一对接触界面，提供了费米能级，这些费米能级总是与吸收层的准费米能级对齐
。
因此，吸收层两侧的偏压
(V
ab
)
与准费米能级分裂和外加电压
(V)
有关：
[0013][0014]其中，
R
s
为外部串联电阻，
E
Fe
/E
Fh
为电子
/
空穴的准费米能级
。
由于载流子密度与准费米能级密切相关，因此方程
(2)
模型适用于描述复合电流及其对钙钛矿太阳能电池的
J
‑
V
特性的影响
。
例如，基于精细平衡，
Shockley
–
Queisser
极限是太阳能电池的最大理论效率，其中唯一的损失机制是辐射复合
。
最近，有研究表明，钙钛矿太阳能电池中严重的非辐射复合是导致开路电压和
PCE
损失的基本因素之一
。
[0015]以上背景还表明，传统的肖克莱方程在分析太阳能电池方面存在以下缺点：
[0016](
一
)
仅仅采用一个欧姆电阻来表征电荷的提取障碍，欧姆电阻缺乏明确的物理意义
。
[0017](
二
)
无法描述传输层
、
电极
、
界面对提取效应的影响
。
研究表明与钙钛矿层具有低电导率和能带不匹配的
TLs
会阻碍光生载流子的提取
。
研究人员更关注
TLs、
电极和界面的物理参数对
PSC
的电流密度电压
(J
‑
V)
特性的影响
。
[0018](
三
)
无法与材料的具体参数和器件的结构联系起来，无法精准诊断太阳能电池的症结
。
在实际应用中，钙钛矿太阳能电池的
J
‑
V
特性依赖于
TLs
的实际材料参数，如载流子迁移率
、
能带偏移量
、
导带
/
价带的有效态密度
、
传输层厚度和掺杂浓度
。
基于公式
(1)
和
(2)
的传统肖克莱方程在太阳能电池诊断方面有很大的应用局限
。

技术实现思路

[0019]本专利技术的目的在于提供一种基于扩展肖克莱方程的钙钛矿太阳能电池分析方法，提出了一个扩展的肖克莱方程
(ESE)
来精确描述电荷提取对钙钛矿太阳能电池的
J
‑
V
特性的影响
。
使得肖克莱方程
(ESE)
能够处理传输层的效应和复合效应，并能将器件性能与器件材料和结构对应起来
。
进而，通过器件的
J
‑
V
曲线实现器件的分析和诊断
。
[0020]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于扩展肖克莱方程的钙钛矿太阳能电池分析方法，提出一个扩展的肖克莱方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于扩展肖克莱方程的钙钛矿太阳能电池分析方法，其特征在于，提出一个扩展的肖克莱方程来精确描述电荷提取对钙钛矿太阳能电池的
J
‑
V
特性的影响，实现通过钙钛矿太阳能电池的
J
‑
V
曲线实现钙钛矿太阳能电池的分析
。2.
根据权利要求1所述的一种基于扩展肖克莱方程的钙钛矿太阳能电池分析方法，其特征在于，所述提出一个扩展的肖克莱方程来精确描述电荷提取对钙钛矿太阳能电池的
J
‑
V
特性的影响的具体实现方式如下：
1)
在电荷提取阻碍区域引入提取电压对于通过空穴输运层
HTL
，在接触界面和空穴输运层
HTL
引入电压降，以提取太阳能电池外的光电流密度，提取电压在能带图中对应于准费米能级的弯曲；活性层两侧的偏压
V
ab
与准费米能级分裂和外加偏压
V
的关系为：
V
Ex1
表示通过空穴输运层
HTL
的电压降，
V
Ex2
表示空穴输运层
HTL/
电极接触处的电压降，
V
Ex3
表示电子传输层
ETL/
钙钛矿接触处的电压降，
q
为电子电荷，
E
Fe
、E
Fh
分别为电子
、
空穴的准费米能级，假设整个钙钛矿层中的准费米能级是常数；
2)
扩展肖克莱方程扩展肖克莱方程的
J
‑
V
关系表示为：
k
B
为玻尔兹曼常数，
T
为温度，
J
ph
为光生电流密度，
J
R,2
表示载流子复合强度；短路电流条件下短路电流
J
SC
≈J
ph
；在开路条件下
V
Ex1
＝
V
Ex2
＝
V
Ex3
＝0；因此
J
R,2
表示为：使用式
(2)
和式
(3)
来研究电荷提取对钙钛矿太阳能电池的
J
‑
V
特性的影响；为了进行比较，无限提取的
J
‑
V
关系为：
J
BE
表示不包括电荷提取对
J
‑
V
曲线的任何影响；因此，式
(2)
和式
(4)
的
J
‑
V
曲线之间的差值显示电荷传输层
TLs
及其接触界面对电荷提取的影响；
3)
提取电压
V
Ex1
的表达形式
V
Ex1
被写为：
R
HTL
表示空穴输运层电阻，
L
HTL
表示空穴输运层厚度，
μ
hH
表示空穴输运层的空穴迁移率，
N
DH
表示空穴输运层的掺杂浓度；使用负号将光电流指定为负值，与电压方向相反；
4)
提取电压
V
Ex2
的表达形式空穴输运层
HTL/
阳极接触面的电流密度以经典二极管形式写为：
J
0A
是暗饱和电流密度，表示为：
A
*
是热电子发射的有效理查森常数，
Δφ
A
是势垒高度的有效变化，表述为：
γ
H
是通过拟合一条
J
‑
V
曲线来确定；根据公式
(6)
～
(8)
，
V
Ex2
表述为：
5)
提取电压
V
Ex3
的表达形式
V
Ex3
,
的形式：其中，
J
EP
为电子传输层
ETL/
钙钛矿接触界面的二极管暗饱和电流密度；与<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李德力，张啸，宋青，王越，陈永华，黄维，
申请(专利权)人：福建师范大学，
类型：发明
国别省市：