Small Methods:不同结构氧化钛基底的钙钛矿电池的光电损失分析

近年来,钙钛矿太阳能电池得到了突飞猛进的发展,短短几年内认证效率飞速提升至22.7%,且该电池具有制备方法多样、成分可调等优势,受到科研及产业界研究人员广泛关注。近期,凯斯西储大学的Clemens Burda教授采用光电损耗分析的原理,通过研究了钙钛矿/二氧化钛界面的形貌及钙钛矿晶体质量的变化导致的光电损失,发现广泛应用于染料敏化太阳能电池的介孔结构不适合应用于钙钛矿太阳能电池中

钙钛矿太阳能电池是从染料敏化太阳能电池发展过来的。在染料敏化太阳能电池中,介孔结构由于大大的增加了染料的负载量,可以提高光电器件的效率。钙钛矿太阳能电池在最初的研究阶段,大部分都采用介孔结构。然而在过去的几年,平面结构钙钛矿太阳能电池逐渐成为主流趋势。介孔结构对于钙钛矿太阳能电池是否有用,是本文主要研究的内容。

图1:光电损失分析流程图

图1所表示的方法是表征光伏器件波长相关性质的通用方法。该分析方法只需要获得外量子效率(IPCE)和光捕获效率(LHE)即可分析。IPCE即入射光子转化为电子的效率,LHE即入射光子被器件捕获的效率。已知IPCE和LHE,我们可以通过公式(1)得到内量子效率(APCE):APCE=IPCE/LHE(1)APCE即器件吸收的光子转化为电子的效率。APCE可以将光路中的光损失与电损失分开。APCE经常用来检测多激子的产生、等离激元热电子注入、载流子复合、激子转变及体相异质结的电荷传输。

文中测量了不同器件的APCE及每个器件每一层的折射率,并通过传输矩阵模型分析,从而得到每一层的寄生吸收,光电损失及提高光电转换效率(PCE)的方法。更重要的是,作者将这种严格基于平面结构的传输矩阵模型拓展到了介孔结构的分析。研究发现:虽然介孔结构可增加光捕获,但通过介孔结构增加的光捕获并未转化为光电流。因此,改善光吸收层与传输层之间的接触也是每类新型太阳能电池必须解决的问题。

图2:MAPbI3/p-TiO2(平面结构)、MAPbI3/m-TiO2(介孔结构)、MAPbI3-xClx/p-TiO2(平面结构)的光收集效率及光转换效率的对比。其中,灰色和红色区域分别代表透射率和反射率。

根据图2,红线将器件吸收率的区域分为寄生吸收(蓝色区域)和电子损失(黄色区域)。黑色虚线是实验测得的IPCE,其下面的区域(绿色区域)为抽取的电流。在整个光谱范围内,MAPbI3/m-TiO2吸收率超过MAPbI3/p-TiO2的吸收率5%-10%。MAPbI3/m-TiO2的光捕获的增加主要是由于介孔结构增加了光散射。尽管使用介孔结构的初衷是为了增加比表面积,但是介孔的散射作用增加了光子在电池中的传播路程,提升了光子的捕获效率。然而,介孔结构增加的吸收并没有增加光电流(基于IPCE曲线)。此外,钙钛矿掺Cl会增加MAPbI3-xClx 材料在600nm以下的光吸收,进而提高PCE。

图3:不同电池结构的光、电及综合损失

根据图3,我们可以发现MAPbI3/m-TiO2的光电损失最大。值得一提的是,尽管MAPbI3-xClx/p-TiO2具有较高的IPCE,但其光电损失比MAPbI3/m-TiO2略大,表明MAPbI3-xClx的内量子效率(APCE)较高弥补了其较大的光电损失。该项研究通过对MAPbI3和MAPbI3-xClx作为光吸收层的平面和介孔结构电池的光电损失对比来确定这些结构变化对能量损耗机制的影响。采用传输矩阵模型将寄生吸收形式的电子损耗与光学损耗分开。文献报道MAPbI3−xClx由于薄膜结晶性较高,其光电性能优于MAPbI3,但是在TiO2介孔结构中其优势并没有体现。文献报道TiO2介孔结构具有一些特定的光、电效应,例如:减少短波寄生吸收,提高电荷传输,但TiO2介孔结构阻止钙钛矿大晶粒的形成。总的来说,适合染敏太阳能电池的介孔结构在钙钛矿太阳能电池并不适合。

相关研究工作发表在近期出版的Small Method (DOI:10.1002/smtd.201700275)。