《Nature Communications》新加坡南洋理工大學Tze Chien Sum團隊-利用混和材料實現高效載流子倍增,內量子效率超過100%
載子倍增效應有助於突破 Shockley-Queisser 單接面鈣鈦礦太陽能電池的極限
峽谷半導體鈣鈦礦太陽能電池中的載子倍增效應一直備受期待,因為它具有能夠突破 Shockley-Queisser 單接面鈣鈦礦太陽能電池效率極限的潛力。儘管在碘化鉛金屬有機鉛模系統中觀測到強烈的載子倍增證據,但在實際的鈣鈦礦太陽能電池中的研究仍相當缺乏。本研究利用 Cs0.05FA0.5MA0.45Pb0.5Sn0.5I3 系統作為試驗基底,該系統展現出高效的載子倍增效應,倍增閾值低達 2Eg(~500 nm),效率高達 99.4 ± 0.4%。強勁的載子倍增效應使無偏置內部量子效率可超過 110%,在最佳器件中可達 160%。更重要的是,我們的發現為複雜的光學與寄生吸收損失、載子回收與提取損失等因素之間的交互影響提供了新的見解,這些因素削弱了載子倍增效應對整體性能的貢獻。令人驚訝的是,鈣鈦礦太陽能電池中可能已存在載子倍增效應,但被目前的器件架構所抑制。要利用載子倍增效應,需要全面重新設計現有的器件配置,以開發下一代鈣鈦礦太陽能電池。
載子倍增效應概述
載子倍增效應指一個高能光子激發一個電子後,該熱電子會將能量傳遞給價帶中的另一個電子,使其也被激發成為導帶中的熱電子。如此一來,一個光子就可以產生兩個電子-空穴對,也就是「載子倍增」。這種效應可以提高鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率上限。
實驗證明 Cs0.05FA0.5MA0.45Pb0.5Sn0.5I3 系統載子倍增效率近乎完美
研究人員利用 Cs0.05FA0.5MA0.45Pb0.5Sn0.5I3 系統做實驗,發現它展現出高效的載子倍增效應,閾值低達 2Eg(~500 nm),效率高達 99.4%。這表示只要入射光子能量超過 2Eg,就會觸發近乎完美的倍增效應。
載子倍增提高量子效率,存在改善空間
由於載子倍增效應,測試器件中的無偏置內部量子效率可超過 110%,最佳器件達 160%。但光學吸收損失、載子回收損失等因素削弱了載子倍增對效率的貢獻。意外的是,鈣鈦礦太陽能電池中可能已存在載子倍增效應,但被現有器件架構所抑制。
展望
要充分發揮載子倍增效應,需要重新設計現有鈣鈦礦太陽能電池器件。本研究為開發新一代高效能鈣鈦礦太陽能電池提供了重要見解。
a. 峽谷半導體薄膜的穩態吸收光譜。FA為吸收光的分數或吸收係數,為光子能量。第一條左起的虛線分隔2Eg 以上/以下的區域。另外兩條虛線表示3Eg和4Eg的能量。箭頭表示在暫態吸收光譜測量中使用的激發能量。激發能量範圍從1.54eV(暗紅色)至4.96eV(紫色),與c Panel所示相同。插入圖是Tauc圖,表示能隙。b. 用3.06 eV (405 nm) 脈衝激發的混合鉛錫峽谷半導體薄膜的暫態吸收光譜。顏色表示幅度ΔA,變化從-8 mOD(黃色)至2 mOD(深藍色)。c. 不同激發能量下所需的IA的初始幅度|ΔA|。虛線顯示|ΔA|與IA線性相關。紅綠藍實線分別表示載流子倍增(CM)量子產量(QY)= 1,2 和3。d. 隨著激發能量增加,CM QY的變化。藍點表示從c Panel計算的CM QY,誤差棒表示使用誤差傳播公式確定的CM QY的不確定性。紅線是基於先前發表的模型對數據的擬合。擬合的CM效率為99.8%。虛線灰線和虛線深黃線顯示數據不確定性對擬合結果的影響。虛線綠線表示理想情況。
a、b 在Cs0.05FA0.5MA0.45Pb0.5Sn0.5I3 (a、c) 和 MAPbI3 (b、d) PSCs中,在不同激發光子通量(_I_A)下,_J_sc和c、d IQE隨吸收光子通量(_I_A)的變化。(a)和(b)中的實線顯示_J_sc隨_I_A線性增加。 (c)和(d)中的橫向虛線表示IQE = 100%。 (c)和(d)中的紫色陰影區域表示IQE > 100%。源數據作為源數據文件提供。
a在一太陽光照下,測量Cs0.05FA0.5MA0.45Pb0.5Sn0.5I3 PSC器件兩種峽谷半導體層厚度(即最薄和最厚層)的_J_-V 曲線。虛線表示_J_ = 0 mA cm−2(水平)和_V_ = 0 V(垂直)。b不同峽谷半導體層厚度PSC器件的EQE(左側黑_Y_軸,由黑點圓圈表示)和整合的_J_sc(右側紅_Y_軸,由紅點圓圈表示)。c EQE、IQE與峽谷半導體吸收係數Absperovskite之間的關係。虛線為EQE = 100% 界限。在左側(從黃到綠色),EQE小於100%,儘管IQE大於100%。EQE較低是因為Absperovskite降低。在右側(從綠到藍色),EQE和IQE均大於100%。d PSCs的IQE。虛線表示IQE = 100%(水平)和波長= 500 nm(垂直)。箭頭指向大約2_E_g的CM閾值。 (d)中的紫色陰影區域表示IQE > 100%。源數據作為源數據文件提供。
a IQE隨1.2 M薄峽谷半導體層和2.0 M厚峽谷半導體層PSCs的變化。箭頭顯示在1.2 M薄樣本和2.0 M厚樣本中,在3.33Eg時分別可獲得最高IQE 161.5%和142.5%,CM閾值分別為2Eg和2.08Eg。b Pb-Sn混合PSCs、PbSe太陽電池和PbS光伏器件峰值IQE值的比較。藍色方塊為玻璃和石英基Pb-Sn混合PSCs的平均峰值IQE,兩者均為厚薄峽谷半導體層,誤差棒為標準偏差。橙色圓圈為參考文獻34中PbSe太陽電池的標準化IQE值。綠色空心圓圈為參考文獻35中PbS器件的峰值IQE值。PSCs的CM閾值約為2Eg,小於PbSe太陽電池的3Eg和PbS器件的2.5Eg。a和b中的水平虛線表示IQE = 100%。 b中的垂直虛線箭頭表示PSCs (藍色)、PbS器件(綠色)和PbSe太陽電池(橙色)的CM閾值。虛線表示IQE值的變化趨勢。a和b中的紫色陰影區域表示IQE > 100%。源數據作為源數據文件提供。
