Perovskit-Solarzellen (PSCs) sind mit ihren Vorteilen wie hoher photoelektrischer Umwandlungseffizienz (PCE) und kostengünstiger Zubereitung zum Forschungsschwerpunkt im Bereich Photovoltaik geworden. DochSpannungsverlust (Voc)Es ist eines der zentralen Engpässe, die ihre Effizienz in der Nähe der theoretischen Grenzen einschränken. Voc-Verlust bezieht sich auf den tatsächlichen Voc der Batterie und die "Shockley-Queisser (S-Q) Grenze Voc" (basierend auf der Theorie der Materialbandlücke)ObergrenzeDer Unterschied von Voc) und ein tiefes Verständnis seiner Quelle und Mechanismus sind der Schlüssel zur Optimierung der Batterieleistung.

Die theoretische Grundlage des Voc-Verlusts: Von der S-Q-Grenze bis zum tatsächlichen Wert

Um den Voc-Verlust zu verstehen, müssen Sie zuerst den Unterschied zwischen "theoretischem Voc" und "tatsächlichem Voc" klären:

·S-Q Grenzen VocBasierend auf dem idealen PN-Knotenmodell, bestimmt nur durch den Materialbandspalt (Eg), die Temperatur (T) und das Sonnenspektrum mit der Formel:

Unter ihnen,JSCfür die Kurzschlussstromdichte,J“₀Für die tatsächliche dunkle Sättigungsstromdichte (nicht-ideale Faktoren wie belastete Stromkomplexe, Schnittstellenbarrieren und andere erheblich erhöht).

Voc VerlustNicht-idealer Faktor verursachtJ“₀Viel größer als das IdealJ₀oder eine geringere Effizienz bei der Trennung/Transportierung von photobiotischen Trägern, wodurch der tatsächliche Voc unter der S-Q-Grenze liegt.

Quellen und Mechanismen des Voc-Verlusts

Der Voc-Verlust kann je nach „physischer Lage“ und „Wirkungsverbindung“ unterteilt werden.Eigene Verluste(verursacht durch Perovskit) undNicht-eigentlicher Verlust(Schnittstelle, Mängel, Trägertransportschicht verursacht), die spezifischen Mechanismen sind wie folgt:

(1) Eigenschaften des Verlusts: Eigenschaften des Perovskits

Der eigentliche Verlust wird durch die eigene Elektronstruktur des Perovskitmaterials und die Trägerdynamik bestimmt, ist nicht möglichalleDie Beseitigung der "Basisverluste" umfasst hauptsächlich die folgenden zwei Kategorien:

1. Bandlücke - Voc-Verschiebung ("* Tiefgrenze" für Nicht-Strahlungskomposite)

Idealerweise sollte sich Voc der „Spannung des Bandspaltes“ nähern (z.B./q, z.B. FAPbI).₃Eg/q≈1,48 V), aber auch wenn fehlerfreiAusgezeichnetPerovskit, Voc kann auchEigene nicht-strahlende KompositeWeniger als Eg/q:

· Physikalische Natur: Es gibt einen „Elektronenzustand-Schwanz“ (Urbach-Schwanz) an der Spitze des Preisbands (VBM) und am Boden des Leitbands (CBM) von Perovskit, der durch Gitterschwingungen (Sononen) oder Elektronen-Elektronen-Wechselwirkungen entsteht, die dazu führen, dass der Träger durch eine „Subbandgap-Migration“ durch eine nicht-strahlende Komposite (z. B. Elektronen, die von einem CBM in einen Schwanzzustand in der Nähe des VBM springen, und dann durch ein Sonon Energie freisetzen).

· Verlustgröße: Diese Art von Verlust ist in der Regel0,1 ~ 0,2 V(wie Perovskit mit Eg = 1,5 eV, die inhärente untere Voc-Grenze von etwa 1,3 bis 1,4 V) ist die Quelle der Differenz zwischen der S-Q-Grenze Voc und Eg/q.

2. Träger-Nicht-Strahlung-Komplex (ontologisch defekt dominiert)

Perovskit im KörperEigene Mängel(z. B. Leerplätze, Spaltatome) bilden ein "Komplexzentrum", das die nicht-strahlende Zusammensetzung des photobiologischen Trägers beschleunigt und direkt zu einem Voc-Rückgang führt:

Typische Mängeltypen:

· Jod leerer PlatzV_Ich⁺Bleijod im Armor (FAPbI)₃oder Methyl-Cäsium-Bleijod (FACsPbI)₃Mittel * häufig, Bildung von leichten Energie-Level-Mängel, obwohl die Fähigkeit zur Erfassung des Trägers schwach ist, verlängert aber die Lebensdauer der Komponente und senkt indirekt Voc;

· Blei-LeerplatzV_Pb^2-Oder Jod-SpaltatomeIch_i^-Bildung von Mängeln auf tiefer Energieebene, die Elektronen / Leerlöcher effizient erfassen können (z.B.V_Pb^2-(Löcher fangen),Ich_i^-Die Elektronenerfassung), die anschließend durch den "Shockley-Read-Hall (SRH)-Komplex" nicht-strahlend deaktiviert wird, ist ein wesentlicher Beitrag zum Voc-Verlust des Körpers.

· Verlustmerkmale: Je höher die Fehlerdichte des Körpers ist (in der Regel wird die "Fehlerdichte" verwendet)Nt" Messung), je schneller die nicht-strahlende Zusammensetzungsrate,J‘0Je größer der Voc-Verlust ist, desto signifikanter ist er (z. B. die Defektdichte von (10 ^ 15 cm ^ -3) auf 10 ^ 17 cm ^ -3 erhöht wird), Voc kann 0,05 bis 0,1 V sinken).

(2) Nicht-eigentlicher Verlust: Verlust durch Schnittstelle und Baustruktur

Nicht-eigentliche Verluste entstehen durch die Schnittstelle von Perovskit und der Transportschicht (Elektronentransportschicht ETL, Hohllochtransportschicht HTL), den Elektrodenkontakt oder den Defekt der Transportschicht selbst und sind die Kernrichtung der derzeitigen Optimierung und machen mehr als 60% des gesamten Voc-Verlustes aus.

1. Perovskit / Transportschicht Schnittstelle Nicht-Strahlungskomposit (* Haupt nicht-eigentlicher Verlust)

Perovskit und ETL (wie TiO)₂und SnO₂Die Schnittstelle von HTL (wie Spiro-OMeTAD, PTAA) ist ein Schlüsselbereich für die Trennung von Trägern, aber auch ein "Schnittstellenfehler" für nicht-strahlende Komplexe aufgrund von "Energie-Unübereinstimmungen" "schwere Katastrophenzone":

(1) Zusammensetzung durch Unübereinstimmung des Energieniveaus
Die ideale Schnittstelle erfüllt eine "Energieebene-Ausrichtung" (z. B. ETL-Leiterbandboden unterhalb von Perovskit-CBM, HTL-Preisband-Spitze höher als Perovskit-VBM), um die Trennung von Trägern zu erleichtern; Wenn das Energieniveau nicht übereinstimmt, entstehen "Barrieren" oder "Fallen":

· Fall 1: ETL (wie TiO)₂(mit Perovskit CBM Differenz < 0,1 eV) → Elektronen schwierig, ETL aus Perovskit zu injizieren, die Elektronen mit Hohllochen in der Schnittstelle zusammengesetzt bleiben;

· Fall 2: HTL (z. B. Spiro-OMeTAD) Preisband Spitze zu niedrig (Differenz mit Perovskit VBM < 0,1 eV) → Leerlöcher schwierig, HTL zu injizieren, Schnittstellenlöcher Akkumulation, mit Elektronenkomposition.

· Verlustgröße: Voc-Verlust aufgrund von Energie-Niveau-Unzulassung erreichbar0,05 ~ 0,15 V(wie TiO₂/ Perovskit-Schnittstelle aufgrund von Energie-Niveau-Mismatch, Voc als SnO₂/Perovskit Schnittstelle niedrig 0,08 ~ 0,1 V).

(2) Zusammensetzung durch Schnittstellenfehler

Auf der Schnittstelle zwischen Perovskit und der Transportschicht gibt es eine große Anzahl an "Hangschlüsseln", "Gitter-Fehler" oder "chemische Adsorptionsverschmutzungen" (z.B. O₂und H₂O）， Bildung eines tiefen Energie-Komplexzentrums:

· Typischer Mangel: TiO₂Sauerstoffleerheit an der OberflächeV_oder²⁺Es erfasst Elektronen aus Perovskit und kombiniert sie mit den von HTL übertragenen Löchern; Pb² auf Perovskit-Oberflächen⁺Unpositionierte Mängel (Hangtasten) fangen Leerlöcher und verbinden sie mit ETL-Elektronen.

· Verlusteigenschaften: Die nicht-strahlende Zusammensetzungsrate der Schnittstelle ist viel höher als der Körper (aufgrund der hohen Schnittstellenträgerkonzentration und der hohen Defektdichte) und ist die Hauptursache für den Voc-Verlust von ineffizienten PSCs (z. B. PSCs ohne modifizierte Schnittstelle, Voc-Verlust von bis zu 0,3 bis 0,4 V).

· Verlustgröße: Voc-Verluste durch die Transportschicht liegen normalerweise zwischen 0,03 und 0,1 V (z. B. SnO).₂Nach Doping-Optimierung des ETL kann der Voc um 0,05 bis 0,08 V erhöht werden).

Verlust der Transportschicht (ETL/HTL)

Die „schlechte Leitfähigkeit“ von ETL oder HTL selbst kann zu einer Behinderung des Trägertransports führen und indirekt den Voc senken:

· Schlechte Leitfähigkeit: Wenn HTL (z. B. Spiro-OMeTAD) eine geringe Lochmigration hat (<10)⁻⁴cm²/(V)・s)）， Löcher werden sich in HTL ansammeln, was zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit der Elektronen-Löcher-Zusammensetzung der Schnittstelle führt;

· Eigene Mängel: ETL (wie SnO)₂von Sn²⁺Mängel bilden Elektronenfallen, fangen Elektronen aus Perovskit eingespritzt, was zu einer geringeren Elektronentransporteffizienz und einer geringeren Voc führt;

· Verlustgröße: Voc-Verluste durch die Transportschicht sind in der Regel0,03 ~ 0,1 Vwie SnO₂Nach Doping-Optimierung des ETL kann der Voc um 0,05 bis 0,08 V erhöht werden).

3. Elektrodenkontaktverlust

Der zu hohe Kontaktwiderstand von Metallelektroden (wie Au, Ag) mit HTL oder der direkte Kontakt der Elektroden mit Perovskit (ohne Transportschicht) führt zu einer Trägerkomposite:

· Kontaktwiderstand: Wenn der Kontaktwiderstand der HTL- und Au-Elektroden > 10 Ω ist・cm²， Schwierigkeiten bei der Injektion von Elektroden aus HTL führen zu einer Ansammlung von Löchern und einer Zunahme der Komposition;

· Direkter Kontakt: Die Fermi-Energiestufe der Metallelektroden entspricht nicht der Perovskit-Energiestufe und bildet eine "Schottky-Barriere", die den Trägertransport behindert, während sich Metallatome (wie Au) in Perovskit ausbreiten können, um Mängel zu bilden und die Zusammensetzung zu verschärfen;

· Verlustgröße: Elektrodenkontaktverlust ist in der Regel geringer (0,02 bis 0,05 VJedoch kann eine schlechte Elektrodenvorbereitung (z. B. eine zu hohe Temperatur beim Verdampfen von Au) den Verlust erheblich erhöhen.

Quantifizierung und Charakterisierung von Voc-Verlusten

Die genaue Quantifizierung und Positionierung des Voc-Verlusts ist eine Voraussetzung für die Optimierung. Häufig verwendete Charakterisierungstechniken können in zwei Kategorien unterteilt werden: "Makro-Verlustquantifizierung" und "Mikromechanismenanalyse":

Strategien zur Optimierung des Voc-Verlusts

Für die oben genannten Verlustquellen konzentriert sich die aktuelle Optimierungsrichtung auf die "Unterdrückung der nicht-strahlenden Zusammensetzung" und die "Optimierung der Ausrichtung des Energieniveaus" mit den folgenden Strategien:

1. Passivierung von Körperdefekten: Verringerung der Anzeichen des Verlusts

· Ionendoping: mit Cs⁺und Rb⁺Ersatz für FA⁺(wie FACsPbI)₃Perovskit-Verzerrungen unterdrücken und V reduzieren_Ich⁺und V_Pb^2-Mängel;

· Ionendoping: mit Br⁻Teilweise ersetzen I⁻wie FAPbI₂Br）， Verringerung der Urbach-Schwanzbreite und Verringerung der inhärenten nicht-strahlenden Komposite;

· Mangelpassivativ: Zu Perovskit-Vorläufern wird Guan (z. B. GuaI), Thioharne usw. durch Positionierung (z. B. N und Pb²) hinzugefügt⁺Kombination) passiviert Oberflächen / Körperphase Mängel.

Schnittstellentechnik: Beseitigung von nicht-eigentlichen Kernverlusten

· Schnittstellenpassivation: mit Al₂O₃、 Anorganische Schichten wie LiF oder organische Moleküle wie PCBM, PEAI modifizieren ETL / Perovskit, Perovskit / HTL-Schnittstellen, füllen Hangknoten und unterdrücken fehlerhafte Zusammensetzungen (z. B. PEAI modifiziert Perovskit-Oberflächen, wodurch Voc um 0,1 bis 0,15 V erhöht wird);

· Energieregelung: Doping durch ETL (z.B. SnO)₂Doping W⁶⁺Reduzierung des Leiterbandbodens), HTL-Modifikation (z. B. PTAA-Doping mit LiTFSI zur Verbesserung der Lochmigration), Optimierung der Schnittstellenenergieebene-Ausrichtung und Förderung der Träger-Trennung.

3. Optimierung der Transportschicht: Verbesserung der Effizienz des Transports von Trägern

· ETL-Optimierung: Mit SnO₂Ersatz für TiO₂(SnO)₂Niedriger Leitband-Boden, bessere Energiegrad-Passung) oder eine dichte, fehlerarme ETL durch ALD (Atomschicht Deposition) zubereiten;

· HTL-Optimierung: Entwicklung von HTL mit hoher Migrationsrate wie NiOₓAnorganische HTL, Migrationsrate > 10⁻²cm²/(V)・s)）， Ersatz für Spiro-OMeTAD zur Verringerung von HTL-Defekten und Widerständen.

4. Konstruktionsinnovationen: Verringerung der Kontaktverluste

· HTL-freie Struktur: Direkter Kontakt mit Perovskit mit Kohlenstoffelektroden, um HTL-Mängel und Kostenprobleme zu vermeiden;

· Vollständig anorganische Struktur: mit CsPbI₃Perovskit + anorganische ETL/HTL (wie TiO)₂/ NiOₓSteigerung der Stabilität und gleichzeitige Verringerung der Schnittstellenkomposition durch organische Schichten.

V. Zusammenfassung und Herausforderungen

Der Voc-Verlust von Perovskit-Solarzellen ist das Ergebnis einer Zusammenwirkung von "eigenartigen Eigenschaften" und "nicht-eigenartigen Gerätefehlern", bei denenSchnittstelle NichtstrahlungskompositundKomplexe von Mängelnist derzeit die wichtigste Verlustquelle. Durch „Defekt-Passivierung“, „Schnittstellentechnik“ und „Energie-Level-Optimierung“ hat sich der Voc der aktuellen hohen PSCs von frühen 0,9 V auf über 1,2 V erhöht (basierend auf Perovskit von Eg≈1,5 eV), aber es gibt noch einen Optimierungsraum von 0,15 bis 0,2 V von der S-Q-Grenze entfernt.

Zu den zukünftigen Herausforderungen gehören:

1. Wie man den „inhärenten nicht-strahlenden Verlust“ weiter reduziert (z. B. die Verengung des Urbachschwanzes durch Quantenbegrenzungseffekte);

2. Entwicklung einer langfristig stabilen Passivierungsschicht, um zu vermeiden, dass das Passivierungsmittel unter Licht- / feuchten Hitzebedingungen ausfällt;

3. Erzielen Sie eine gleichmäßige Kontrolle des Voc-Verlusts in großen Flächengeräten (derzeit sind hocheffiziente Geräte in der Regel kleine Flächen, größere Schnittstellenfehler und größere Voc-Verluste).

Ein tieferes Verständnis der Mechanismen des Voc-Verlusts und eine gezielte Optimierung sind der Schlüssel zum Durchbruch der Effizienz von Perovskit-Batterien um 30% (S-Q-Grenze von etwa 33%).