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Perovskite solar cells and open circuit voltage

科学专栏

超24.82%效率!Voc损耗分析技术助力UNIST大面积钙钛矿电池

Stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss

第一作者:Mingyu Jeong

通讯作者:Changduk Yang

DOI: 10.1126/science.abb7167

目錄

当前钙钛矿行业研究现状

  在全球科研工作者的不懈努力下,目前钙钛矿太阳电池的转换效率已经达到了一个非常高的水平,下一步的目标将是朝向产业化发展,因此在未来一段时间,钙钛矿领域的研究仍将集中在提高电池稳定性、效率、大面积制备、环境友好程度等方面。

Nrel Perovskite efficiency 25.5%

9月19日,NREL宣布最新单结钙钛矿太阳能电池电池效率纪录:25.5%,来自韩国蔚山国立科学技术学院(UNIST)。

Stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss

9月25日,韩国蔚山科学技术大学(UNIST)再次发力,宣布其研究团队通过实验制造出高达 24.8% 的高效率大面积钙钛矿电池,具有最小的 0.3 V 的电压损失。

UNIST学校简介:

  蔚山科学技术院位于有着韩国工业首都之称的蔚山广域市,是韩国四大国立科学技术院之一(其余三所分别是:韩国科学技术院、光州科学技术院以及大邱庆北科学技术院),成立至今一直致力于发展成为韩国最优秀的国立大学乃至引领世界的理工类大学。该校是全韩国唯一一所从本科到博士所有课程采用100%英语授课的大学,学校拥有先进的实验设备并为学生提供了优美安静的学习环境和各类奖学金。得益于韩国中央和地方政府的大力支持,该校以创新、学科融合以及全球性研究为办学宗旨,计划到2030年至少在10个竞争研究领域进入世界前十。

查看更多论文研究数据:

Enlitech EL-EQE

在论文中,该研究团队采用了 Enlitech(光焱科技)高灵敏电致发光量子效率分析仪REPS设备产品进行Voc损耗分析,这是UNIST在刷新NREL最新电池效率纪录后,取得的又一重大研究成果。

DOI: 10.1126/science.abb7167

https://science.sciencemag.org/content/369/6511/1615

降低Voc损耗是PSC效率提升关键

increase PSC reduce Voc
OSC over 16% efficiency

  最新研究表明Jsc已接近钙钛矿电池理论极限的95%,随着「开路电压」这一数据在「钙钛矿太阳能电池」相关论文中的占比逐年增加,「降低Voc损耗」成为了提升钙钛矿太阳能电池效率的新策略。

Perovskite solar cells and open circuit voltage

  从近年来Science、EES、Nature发表的期刊论文量来看,以及钙钛矿太阳能电池效率与Voc研究趋势发展历程来看:Voc损耗分析是影响钙钛矿太阳能电池稳定性的主要因素,ΔE3非辐射损耗则是高效率的关键。

作为提高效率的关键手段,Voc损耗精准测量分析首先需要满足以下条件:

  1. EL-EQE要够灵敏:达到10-4% ~ 10-5%;

  2. 红外波段侦测灵敏:EL发光在红外光波段,特别是700nm ~ 1000nm;

  3. 测试速度要快:才能避免PSC与OSC因为高电流注入导致老化,进而影响EL-EQE数据的准确性与重现性。

  基于此,Enlitech光焱科技重磅推出高灵敏电致发光量子效率分析仪 REPS 设备产品,针对新型功能性材料发光光谱特性设计,机台体积小巧、不占实验室空间,同时具备光谱强度高动态范围的测量能力和探讨其电子结构特征的非破坏性检测分析功能。

Perovskite PV and Organic PV Voc-loss Analyzer

  高灵敏电致发光量子效率分析仪 REPS 设备特点:

  1. 具备NIR波段(700-1100nm)测试能力,绝对辐射功率(W) NIST 溯源校准;

  2. EL-EQE具备光谱强度高动态范围测量能力,最低可测到 10-5(6个数量级的动态范围);

  3. 搭配Voc损耗分析软件SQ-VLA 可以分析SQ平衡极限理论ΔV₁热力学损耗、ΔV₂辐射损耗、ΔV₃非辐射损耗。

(1) 有机太阳能电池OSC中,电荷转移态(Charge transfer State)与Voc损耗分析

  2019 年中科院化学 JH Hou 实验室采用光焱科技 REPS系统(原ELCT-3010),研究氯化非富勒烯受体在高效率16% 有机太阳能电池 OSC 高效率的机制探讨。
  由 EQE 光谱 (QE-R Enli) 证实该受体除了表现出更强的光吸收能力,同时利用FTPS/超灵敏EQE光谱仪 (PECT-600) 与超灵敏 EL-EQE 系统(ELCT-3010, 现REPS),分析开路电压提升主因。结果证实氯化非富勒烯受体大幅降低了非辐射能量损耗 (0.206 eV),得以同时提高短路电流密度与开路电压。此重要成果发表在 2019 Nature Communication。

超24.82%效率!Voc损耗分析技术助力UNIST大面积钙钛矿电池 UNIST 2019 Nature Communication Radiative loss

论文发表 Nature Communications volume 10, 2515 (2019)

(2) 全无机钙钛矿太阳能电池高转换效率与抑制非辐射复合机制研究

  2020年Nature Communication发表了香港城市大学与华南理工研究团队利用SQ平衡极限理论研究路易斯硷抑制非辐射复合的高效率全无机钙钛矿太阳能电池。开路电压由1.10V提高到1.16V。

超24.82%效率!Voc损耗分析技术助力UNIST大面积钙钛矿电池 UNIST Nature Communication radiative loss 1

文献讯息

Stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss

Mingyu Jeong, In Woo Choi, Eun Min Go, Yongjoon Cho, Minjin Kim, Byongkyu Lee, Seonghun Jeong, Yimhyun Jo, Hye Won Choi, Jiyun Lee, Jin-Hyuk Bae, Sang Kyu Kwak, Dong Suk Kim, Changduk Yang

DOI: 10.1126/science.abb7167

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