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大家都在用,Voc-loss損耗分析助力有機太陽能電池轉換效率突破!

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前言

    從眾多頂刊發表的研究報告顯示,Voc-loss開路電壓損耗分析(以下簡稱Voc-loss),是現今最多研究者採用,藉以持續突破有機太陽能電池(Organic Photovoltaic, OPV)效率極限,最有效的方法。

大家都在用,Voc-loss損耗分析助力有機太陽能電池轉換效率突破! 圖1 近年研究有機太陽能電池效率改善,採用Voc損耗分析發表論文數統計圖

1 近年研究有機太陽能電池效率改善,採用Voc損耗分析發表論文數統計圖

    1為有機太陽能電池領域關於Voc損耗分析相關的SCI論文發表數統計。由趨勢可以見到,自2012年開始開路電壓Voc損耗逐漸受到關注,呈線性增加。雖然在2019~2020年,論文數因為Covid-19疫情有一個停滯期,但是在2021年有一個數量倍增的論文數增幅。而統計到20225月的SCI論文發表數,已經達到2021年全年度的水平。預估2022年的論文數相較於2021年,也會有倍增的論文數成長。

 

  接下來,我們簡單的回顧下歷年的重要關於開路電壓Voc損耗,幫助讀者可以快速的了解下Voc開路電壓損耗在實際有機太陽能電池研究中所扮演的角色。

  2018年,Nam-Gyu Park與Hiroshi Segawa在ACS Photonics 發表了”Research Direction toward Theoretical Efficiency in Perovskite Solar Cells”提出了鈣鈦礦太陽能電池發展的途徑。文中提到了,在2018年的時候,鈣鈦礦太陽能電池的短路電流密度JSC,已經達到短路電流密度理論極限JSQ的97%。反觀2018年時的開路電壓Voc僅達到開路電壓理論極限VSQ的77%左右。而相對於超高轉換效率的GaAs太陽能電池,Voc達到理論極限的95%。因此,文中認為要達到新型太陽能電池(如:有機)轉換效率的理論極限值,提升Voc (減少損耗)的研究策略,是遠比提升JSC來的重要。因此,有一套缺陷理論模型來描述Voc的損耗,並且有一套測量工具,可以供科學家來測量分析Voc的損耗機制,這對有機太陽能電池研究是一件重要的工作。

Perovskite solar cell, short-circuit current density, Voc-loss analysis, Shockley–Queisser (S-Q) limit

2藉由提升Jsc或降低Voc損耗兩種途徑,進而改善新型太陽能電池(例如:有機太陽能電池)能量轉換效率的趨勢分析圖

(引用自: ACS Photonics; July 2, 2018; https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.8b00124)

自2019年起隨著“開路電壓”這一資料在“有機太陽能電池”相關論文中的占比逐年增加,“降低Voc損耗”成為了提升有機太陽能電池效率的重要策略。如,2019年Nature Communications刊登的突破當時世界效率記錄的16%有機太陽能電池,文中即提到所採取的策略就是降低開路電壓Voc的損耗。文中利用了Enlitech ELCT3011現Enlitech REPS鈣鈦礦光伏Voc損耗分析系統),研究並且量化了Voc的非輻射複合損耗,由光譜數據搭配熱力學理論,證實了使用低帶隙材料體系,提昇了Voc開路電壓,改善了有機太陽能電池的整體轉換效率。

Organic Solar Cells, Short Circuit Current Density, Voc loss analysis, Shockley–Queisser (S-Q) limit, JSQ, VSQ

圖3 採取降低開路電壓Voc損耗的策略進而改善有機太陽能電池能量轉換效率的成功例證

(2019年)

(引用自: Nature Communication; June 7, 2019; https://www.nature.com/articles/s41467-019-10351-5)

Organic Solar Cells, Short Circuit Current Density, Voc loss analysis, Shockley–Queisser (S-Q) limit, JSQ, VSQ

圖4 採取降低開路電壓Voc損耗的策略進而改善有機太陽能電池能量轉換效率的成功例證(2021年)

(引用自: Advanced Materials; November 13, 2021; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202106316)

2021年,北卡羅來納州立大學 Harald Ade 和納米科學中心魏志祥等人透過有序分子堆積的高混溶性,使全小分子有機太陽能電池 (ASM-OSC) 的效率達到 16.2%。該研究成果於2021年11月在Advanced Materials (IF 30.849) 發表。其中效率突破策略側重在開路電壓Voc,使用Enlitech ELCT3010 (現Enlitech REPS鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統)對有機太陽能電池的Voc損耗特徵,進行量化的測試與分析。

 

2022年Energy & Environmental Science (IF 38.532) 期刊於2月發表中科院化學所侯劍輝教授的最新研究成果。研究團隊使用一種名為 AITC 的不對稱寬頻隙非富勒烯受體,有助於在混合物中形成穩定的混合相,從而提高了三元 OSC 的光電導率,抑制了電荷複合並降低了非輻射電壓損失,使疊層有機太陽能電池達到19.4%的高效率,也是目前有機領域最高的效率。

 

  研究人員使用光焱科技Enlitech ELCT-3010 (現Enlitech REPS鈣鈦礦光伏Voc損耗分析系統)等儀器進行實驗,結果顯示加入AITC後的器件,其開路電壓(Voc)以及填充因子(Fill Factor)得到了較大的提升。實驗室測試效率達到了疊層有機太陽能電池的記錄效率 19.4%。

 

J-V Curve﹅External Quantum Efficiency (EQE)﹅Organic Solar Cell (OSC)﹅Maximum Power Point (MPP)﹅Short-circuit Current Density (Jsc)﹅Power Conversion Efficiency (PCE)﹅EL Spectrum

圖5 侯劍輝教授的OSC光伏性能研究成果。

(a)經過AITC的添加後的元件,其J-V曲線比未加入AITC的器件為佳。

(b)經過與未經過AITC加入器件的EQE光譜比較。

(c)溫度對三種OCS的短路電流影響 (d) 三種OSC電荷密度對非雙生複合率常數的影響

(e )AITC添加後的OSC的EL光譜。

(f )AITC添加後的OSC的EL EQE。

(g)厚度不同下OSC 的暗電流曲線。

(h)不同厚度對效率的影響。

    光焱科技 REPS 有機光伏 VOC 損耗分析系統可量測電致發光量子效率 (Electroluminescence (EL) quantum efficiency, EL EQE)。不僅可以檢測極低的 EL-EQE 信號(低至10-5       %,即 7 個數量級),還可以透過分析軟體SQ-VLA將計算出的Voc-loss與器件IV曲線的真實Voc-loss進行匹配,從而促進研究進展和期刊發表。

什麼是Voc-loss損耗分析?

  在前面的文章中,我們大致了解到想要在太陽能電池效率的研究領域裡,研究開路電壓的損耗是最為火熱的一環。那麼,我們是不是得先了解開路電壓損耗在看什麼東西呢?

  要了解開路電壓的損耗,我們先從太陽能電池的基理看起。太陽能電池由 n 型和 p 型的半導體組成,當光子的能量大於半導體能隙時,光子會被半導體吸收進而產生電子和電洞。整個運作機制透過四個階段:(1)吸收光子(Absorption)、(2)光生載流子(Photocarrier Generation)、(3)電荷傳輸(Transport)、(4)電荷收集(Collection),使太陽能電池為我們提供電能。

太陽能電池﹅能隙﹅非輻射複合損失

圖6 太陽能電池概念與太陽能電池能帶圖

(引用自台大電機系 淺談太陽能電池的原理與應用,https://ee.ntu.edu.tw/upload/hischool/doc/2014.04.pdf)

  太陽能電池的外部量子效率(External Quantum Efficiency, EQE),是計算已知光子數的單色光照射到太陽能電池後,經過光子吸收、光生載流子、電荷傳輸、與電荷收集等過程,在短路條件下,最後傳輸到外部電路電子數的比值。以上四個過程描述了已知的入射光子被太陽能電池照射和吸收,成為光載流子以及如何傳輸到電極,整個過程就是外部量子效率 EQE過程,即入射光子轉化為電子的能力/百分比。因此,外部量子效率EQE光譜,反應了上述四個過程的所有資訊。

  理想的太陽能電池模型應該只通過輻射複合途徑來轉換能量,即獲得100%的外部量子效率EQE。但實際上,往往有多種非輻射複合途徑影響了電池的性能,從而導致額外的電壓損失,此即Voc損耗。

有機太陽能電池突破轉換效率的痛點?

    參考維基百科(https://en.wikipedia.org/wiki/Organic_solar_cell#Charge_carrier_mobility_and_transport):有機太陽能電池的難點在於:儘管它具有良好的內部量子效率,但由於其 100 納米量級的活性層吸收不足,與無機光伏器件相比,有機光伏電池的外部量子效率低 (至多 70%)。除此之外,隨著時間的推移,有機太陽能電池對氧化和還原、再結晶和溫度變化的不穩定性也會導致器件退化和性能下降。對於具有不同成分的有機光伏器件,這種情況發生的程度將會有所差異,這也是眾多科學家正在積極研究的領域。其他重要因素還包括:受雜質存在影響的激子擴散長度、電荷分離和電荷收集等。

    許多科學家通過以下途徑致力於提高 OPV 的性能:1. 電荷載流子的遷移和傳輸,2.薄膜形態的影響,3. 可控生長異質結,4. 生長技術的進步,5. 真空熱蒸發,6. 有機氣相沉積,7. 有機太陽能墨水,8. 光捕捉,9. 串聯光伏使用,10. 機械行為。

    基於上述需求,欲將改善的成果量化並進行分析,有兩件事自然成為有機太陽能電池研究領域最在意的項目:(1)如何做到精準量測?(2)如何能利用量測數據快速計算並獲得熱力學損耗 (ΔE1)﹅輻射複合損耗 (ΔE2) & 非輻射複合損耗 (ΔE3) 的分析結果?這也是此研究領域普遍面臨的痛點。

    光焱科技鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統 (Enlitech REPS) 是一套完整的系統,可以幫助科學家測量、計算和分析工作中的太陽能電池中的Voc-loss,並為下一步的工藝改進提供思路。REPS不僅可以精準檢測極低的EL-EQE信號 (低至 10-5       %,即 7 個數量級),還可以計算熱力學Voc loss、輻射複合 Voc loss和非輻射複合 Voc loss (通過其軟體SQ-VLA)。此外,它還可以在一個柱狀圖中分析不同類型器件之間的 ΔV1、ΔV2和ΔV3損耗。快速提供研究人員有效的測試數據與分析結果,除了可以大幅節省研究人員的時間,還可避免人為運算所導致的錯誤。

Enlitech, REPS, Journal Publication

圖7 採用光焱科技鈣鈦礦與有機光伏Voc損耗分析系統(REPS)針對鈣鈦礦太陽能電池進行損耗分析改善,系統產出的研究成果可以無縫接軌快速發表於期刊

那麼,我們可否更系統性地理解Voc損耗呢?

  物理學家肖克利-奎伊瑟(Shockley–Queisser)的SQ平衡極限理論給出了答案。在SQ平衡極限中,Voc三大損耗包括:ΔV₁熱力學損耗、ΔV₂輻射損耗、ΔV₃非輻射損耗。利用SQ平衡極限理論,可以詳細說明瞭Voc損耗的過程。

ΔV1 thermodynamic loss, ΔV2 radiative recombination loss, ΔV3 non-radiative recombination loss, Shockley–Queisser (S-Q) limit

圖8 SQ平衡極限理論的熱力學損耗、輻射複合損耗、與非輻射複合損耗的能階示意圖。

ΔV1 thermodynamic loss, ΔV2 radiative recombination loss, ΔV3 non-radiative recombination loss, Shockley–Queisser (S-Q) limit

圖9 對於輻射複合損耗與非輻射複合損耗的相關機制說明與了解,讀者可以參考Adv. Energy Mater. 2017, 1602358。文中,有更詳細的各種缺陷所造成的Voc損耗機制。

我們進行有機太陽能電池研究,可以自行取得開路電壓損耗數值嗎?要怎麼做才可辦到?

  答案是可以的。依據肖克利-奎伊瑟極限,太陽能電池的開路電壓Voc損耗,是由三大損耗所決定,可用下列關係式來取得:   

 

Perovskite solar cell, Voc-loss calculation, Shockley–Queisser (S-Q) limit, ΔV1, ΔV2, ΔV3

其中q為基本電荷電量,ΔV為開路電壓總損耗,ΔV1為熱力學損耗造成,ΔV2為輻射復合造成的損耗,ΔV3則是非輻射復合造成的開路電壓損耗。

從開路電壓損耗的關係式,我們可以清楚看到,只要能量測出Eg、V SQOC、VradOC,就可以得到這三個損耗值。而Eg、V SQOC、VradOC 各自代表著太陽能電池的帶隙Eg ,肖克利-奎伊瑟極限下的開路電壓VSQOC ,全輻射複合下的開路電壓 VradO

那麼我們又該如何做,才能量測出這三個物理量,包含帶隙Eg ,肖克利-奎伊瑟極限下的開路電壓V SQOC,全輻射複合下的開路電壓VradOC  呢? 首先我們再把三個物理量的定義寫下來:

Perovskite band gap, Shockley–Queisser (S-Q) limit, Radiative recombination, Voc-loss calculation

另外,藉由二極體模型,理論上Voc可以得到下式的定義:

Voc Open-circuit voltage Perovskite
再來,我們使用Enlitech ELCT-3010 (現Enlitech REPS鈣鈦礦光伏Voc損耗分析系統),先量測出太陽能電池電致發光外量子效率 EQEEL。 開啟有機太陽能電池開路電壓損耗分析軟體(SQ-VLA),需要為本次的量測分析設定名稱。
Enlitech, Software, SQ-VLA

圖10 鈣鈦礦開路電壓損耗分析軟體(SQ-VLA)啟動畫面

  分別導入QE-R、IVS-KA6000和REPS的量測數據後,分析計算結果,隨即呈現,包含帶隙 ,肖克利-奎伊瑟極限下的開路電壓 ,全輻射複合下的開路電壓 ,以及各個的開路電壓損耗,熱力學損耗ΔV1、輻射複合損耗ΔV2、非輻射複合損耗ΔV3。

Enlitech, Software, SQ-VLA

圖11 QE-R、IVS-KA6000和REPS的量測數據導入畫面

Enlitech, Software, SQ-VLA, Thermodynamic loss ΔV1, Radiative recombination loss ΔV2, Non-radiative recombination loss ΔV3

圖12 SQ-VLA軟體顯示熱力學損耗ΔV1、輻射複合損耗ΔV2、非輻射複合損耗ΔV3的計算結果

將控制組與實驗組進行開路電壓損耗的比較,我們可以清楚地看出實驗組的操縱變因是否可以有效地減低開路電壓的損耗,從而提升有機太陽能電池的開路電壓。

Enlitech、Software、SQ-VLA、熱力學損耗ΔV1、輻射複合損耗ΔV2、非輻射複合損耗ΔV3

圖13 SQ-VLA軟體針對控制組與實驗組的熱力學損耗ΔV1、輻射複合損耗ΔV2、非輻射複合損耗ΔV3,加以疊圖呈現直觀的比較結果

還有哪些Voc-loss損耗分析系統的實際案例?

  Energy & Environmental Science 刊登北京航空航太大學孫豔明等人的研究。

  有機太陽能電池 (Organic solar cell, OSC) 因其成本低、重量輕和易於製造的獨特優點,被認為是一種很有前途的太陽能轉換技術。使用包含兩個供體/一個受體或一個供體/兩個受體的三元OSC是提高器件功率轉換效率 (power conversion efficiency, PCE) 的有效方法。

  然而,很少有人關注如何選擇合適的第三組件。此篇提出了一種在基於非富勒烯受體的三元有機太陽能電池中,選擇第三組件的策略。

大家都在用,Voc-loss損耗分析助力有機太陽能電池轉換效率突破! 论文1

  Advanced Materials (IF 30.849) 於2021年11月發表一項研究成果。研究團隊在不使用稠環結構的情況下,實現了可用於多功能光伏應用且高性能的非融合寬頻隙受體。

  在有機光伏 (OPV) 電池中,具有非融合共軛結構的寬頻隙 (WBG) 非富勒烯受體 (NFA) 發揮著關鍵作用。有鑑於此,研究團隊在不使用稠環結構的情況下,合成了名為 GS-OEH、GS-OC6 和 GS-ISO 的 NFA,其光學帶隙大於 1.70 eV。在這三種 NFA 中,相較於 GS-OEH 與 GS-OC6,GS-ISO 表現出更強的結晶度,因此產生更小的能量無序和更大的激子擴散係數。此外,GS-ISO 也展現出 1.0 × 10-² 的高電致發光外部量子效率。

  在太陽光模擬器照射下,搭配光焱科技標準電池進行光強校正,基於 PBDB-TF:GS-ISO 的 OPV 電池實現 11.62% 的功率轉換效率 (PCE)。此外,在照度 500 lux、色溫 2700 K 的光照下,基於 PBDB-TF:GS-ISO 的電池達到 28.37% PCE。

  透過光焱科技 QE-R 量子效率測量系統、FTPS 傅里葉轉換光電流光譜系統、REPS 光伏 Voc-loss 分析儀等儀器進行實驗,結果顯示使用 PBDB-TF:GS-ISO 作為前子電池的串聯 OPV 電池展現出 19.10% 的出色 PCE。重要的是,在模擬太陽光的連續照射下,基於 GS-ISO 的 OPV 電池表現出良好的穩定性。光焱科技量子效率測量系統除了用於太陽能電池的 EQE (External Quantum Efficiency) 光譜分析,同時對於太陽能電池在太陽光模擬器下的短路電流,也提供了Jsc (short-circuit current density) 的比對,以證明實驗的準確性。

  這項研究結果表明,研究中所使用的分子設計策略在開發非融合 NFA 方面具有極大的優勢,而且 GS-ISO 是一種可用於多功能光伏應用的 WBG 受體,相當具有前景。  

大家都在用,Voc-loss損耗分析助力有機太陽能電池轉換效率突破! 论文2

  其它像在Advanced Materials、Energy & Environmental Science等頂級的期刊,都有點出要將有機太陽能電池的效率做高,先要了解開路電壓的損耗主要在哪,進而量測出電致發光效率,分析並改善非輻射複合的損耗。

大家都在用,Voc-loss損耗分析助力有機太陽能電池轉換效率突破! 论文3
大家都在用,Voc-loss損耗分析助力有機太陽能電池轉換效率突破! 論文5

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