Các tế bào năng lượng mặt trời perovskite (PSC) đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực quang điện nhờ hiệu suất chuyển đổi quang điện cao (PCE), chuẩn bị chi phí thấp, v.v. Tuy nhiên,Mất điện áp mạch hở (Voc)Là một trong những nút thắt trung tâm hạn chế hiệu suất của nó tới gần giới hạn lý thuyết. Voc Loss: Voc thực tế và "Shockley-Queisser (S-Q) Extreme Voc" (dựa trên lý thuyết về khoảng cách dải vật liệu).Giới hạn trênSự khác biệt giữa Voc và sự hiểu biết sâu sắc về nguồn gốc và cơ chế của nó là chìa khóa để tối ưu hóa hiệu suất pin.

I. Cơ sở lý thuyết về tổn thất Voc: Từ giới hạn S-Q đến giá trị thực tế

Để hiểu tổn thất Voc, trước tiên bạn cần làm rõ sự khác biệt giữa "Voc lý thuyết" và "Voc thực tế":

·Lời bài hát: S-Q Extreme VocDựa trên mô hình nút PN lý tưởng, chỉ được xác định bởi khoảng cách dải vật liệu (Eg), nhiệt độ (T) và quang phổ mặt trời, công thức là:

Trong số đó,Cơ quanLà mật độ dòng điện ngắn mạch,J'₀Mật độ hiện tại bão hòa tối thực tế (tăng đáng kể bởi các yếu tố không mong muốn như hợp chất tàu sân bay và rào cản giao diện).

Bản chất của Voc Loss: Yếu tố không lý tưởng dẫn đếnJ'₀lớn hơn lý tưởng.J₀, hoặc hiệu quả tách/truyền tải quang sinh giảm, * cuối cùng làm cho Voc thực tế thấp hơn giới hạn S-Q.

II. Các nguồn và cơ chế cốt lõi của tổn thất Voc

Mất Voc có thể được chia thành "vị trí vật lý" và "liên kết hành động" nơi mất mát xảy raMất dấu nàynguyên tố Astatine (Mất mát ngoài bản địa(Giao diện, lỗi, lớp vận chuyển tàu sân bay gây ra), cơ chế cụ thể như sau:

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)

Sự mất mát này được xác định bởi cấu trúc điện tử của vật liệu perovskite, động lực học của tàu sân bay và không thểtất cảLoại bỏ "tổn thất cơ bản", chủ yếu bao gồm hai loại sau:

1. Band Gap - Voc Internal Offset (giới hạn thấp của hợp chất không bức xạ)

Lý tưởng nhất, Voc nên gần với "điện áp tương ứng với khoảng trống" ((Eg/q, chẳng hạn như FAPbI)₃của Eg/q ≈ 1.48 V), nhưng ngay cả khi không bị lỗixuất sắcPerovskite, VOC cũng có thểHợp chất không bức xạ nội tạiThấp hơn Eg/q:

· Bản chất vật lý: Có một "đuôi trạng thái điện tử" (đuôi Urbach) trên đỉnh giá (VBM) và đáy dẫn (CBM) của perovskite, bắt nguồn từ rung lưới tinh thể (phonon) hoặc tương tác electron-electron, dẫn đến các tàu sân bay có thể di chuyển thông qua các hợp chất không bức xạ (chẳng hạn như sự di chuyển của electron từ CBM đến trạng thái đuôi gần VBM, sau đó giải phóng năng lượng thông qua phonon).

· Biên độ tổn thất: Loại tổn thất vốn có này thường là0,1 ~ 0,2 V(Ví dụ Perovskite với Eg=1,5 eV, giới hạn Voc thấp hơn khoảng 1,3~1,4 V), là nguồn gốc của sự khác biệt giữa Voc giới hạn S-Q và Eg/q.

2. Hợp chất không bức xạ của tàu sân bay (lỗi cơ thể chiếm ưu thế)

trong cơ thể perovskite.khiếm khuyết này(chẳng hạn như các nguyên tử trống, khoảng trống) tạo thành một "trung tâm hợp chất", tăng tốc sự hợp chất không bức xạ của các tàu sân bay quang học, trực tiếp dẫn đến giảm Voc:

Loại khiếm khuyết điển hình:

· Iodine trốngV_Tôi⁺: Trong formamidine chì iodine (FAPbI)₃hoặc formamidine cesium chì iodine (FACPbI)₃Trung bình * phổ biến, hình thành các khuyết tật mức năng lượng nông, mặc dù khả năng bắt giữ tàu sân bay yếu, nhưng sẽ kéo dài tuổi thọ hợp chất, gián tiếp làm giảm Voc;

· Chì trốngV_{Chất lượng Pb}^2-Nguyên tử Iodine GapTôi_i^-: Hình thành các khiếm khuyết mức năng lượng sâu có thể thu giữ các electron/lỗ một cách hiệu quả (chẳng hạn nhưV_{Chất lượng Pb}^2-) Bắt được lỗ hổng,Tôi_i^-Bắt electron), sau đó ngừng hoạt động không bức xạ thông qua "hợp chất Shockley-Read-Hall (SRH)", là yếu tố góp phần chính vào sự mất Voc của Ontology.

· Tính năng mất mát: Mật độ khiếm khuyết của cơ thể càng cao (thường là "mật độ khiếm khuyết trạng thái")Nt(văn) ① Lầm lẫn; ② Giả dối.J'0Càng lớn, tổn thất Voc càng đáng kể (chẳng hạn như mật độ lỗi tăng từ (10^15cm^-3) lên 10^17cm^-3) và Voc có thể giảm 0,05~0,1 V).

B5-05=giá trị thông số Kd, (cài 2)

Mất mát phi bản địa bắt nguồn từ giao diện perovskite và lớp vận chuyển chất mang (lớp vận chuyển điện tử ETL, lớp vận chuyển lỗ HTL), tiếp xúc điện cực, hoặc khuyết tật của lớp vận chuyển, là hướng cốt lõi của tối ưu hóa hiện tại, chiếm hơn 60% tổng tổn thất Voc.

B5-05=giá trị thông số Kd, (cài 2)

Perovskite và ETL (như TiO)₂Từ SnO₂Giao diện của HTL (như Spiro-OMeTAD, PTAA) là khu vực quan trọng để tách tàu sân bay, nhưng cũng do "mức năng lượng không phù hợp" "khiếm khuyết giao diện" trở thành "khu vực thảm họa nặng" của hợp chất không bức xạ:

(1) Hợp chất do mức năng lượng không phù hợp
Giao diện lý tưởng cần đáp ứng "căn chỉnh mức năng lượng" (chẳng hạn như đáy dẫn của ETL thấp hơn CBM perovskite và đỉnh giá của HTL cao hơn VBM perovskite) để tạo điều kiện tách tàu sân bay; Nếu mức năng lượng không phù hợp, một "rào cản" hoặc "bẫy" sẽ được hình thành:

· Trường hợp 1: ETL (như TiO)₂đáy dây dẫn quá cao (chênh lệch với CBM perovskite<0,1 eV) → Các electron khó có thể tiêm ETL từ perovskite, các electron bị mắc kẹt và lỗ hổng kết hợp tại giao diện;

· Trường hợp 2: HTL (ví dụ: Spiro-OMeTAD) có đỉnh giá quá thấp (chênh lệch với perovskite VBM<0,1 eV) → Lỗ hổng khó tiêm HTL, lỗ hổng giao diện tích tụ, kết hợp với điện tử.

· Biên độ tổn thất Voc tổn thất có thể đạt được do mức năng lượng không phù hợp0,05 ~ 0,15 VNhư Tio₂/Perovskite giao diện do mức năng lượng không phù hợp, Voc hơn SnO₂/Giao diện perovskite thấp 0,08~0,1 V).

(2) Hợp chất do lỗi giao diện

Giao diện của perovskite với lớp vận chuyển có một số lượng lớn "liên kết treo", "khiếm khuyết không phù hợp với lưới" hoặc "tạp chất hấp phụ hóa học" (ví dụ: O)₂và H₂O）， Hình thành trung tâm tổng hợp mức năng lượng sâu:

· Khuyết điểm: TiO₂Khoảng trống oxy trên bề mặtV_hoặc²⁺Nó sẽ bắt các electron trong perovskite và kết hợp với các lỗ được truyền qua HTL; Pb² trên bề mặt perovskite⁺Các khiếm khuyết không phối hợp (khóa treo) bẫy các lỗ hổng, kết hợp với các electron của ETL.

· Tính năng mất mát: Tỷ lệ tổng hợp không bức xạ của giao diện cao hơn nhiều so với bản thân (do nồng độ chất mang giao diện cao và mật độ lỗi cao) và là nguyên nhân chính gây mất PSC Voc hiệu quả thấp (chẳng hạn như PSC của giao diện không được sửa đổi, mất Voc lên đến 0,3~0,4 V).

· Biên độ mất Voc mất do lớp vận chuyển thường là 0,03~0,1 V (như SnO)₂Với ETL được tối ưu hóa cho doping, Voc có thể tăng 0,05~0,08 V).

2. Mất lớp vận chuyển tàu sân bay (ETL/HTL)

"Độ dẫn kém", "nhiều khuyết tật" của ETL hoặc HTL có thể dẫn đến việc vận chuyển các tàu sân bay bị cản trở, gián tiếp làm giảm Voc:

· Độ dẫn kém: Nếu HTL (như Spiro-OMeTAD) có tỷ lệ di chuyển lỗ thấp (<10)⁻⁴Cm²/(V)・s)）， Các lỗ tích tụ trong HTL, dẫn đến tăng xác suất hợp chất electron-hole giao diện;

· Lỗi của chính nó: ETL (như SnO)₂Sn² trong⁺Các khiếm khuyết tạo thành bẫy điện tử bẫy các electron được tiêm từ perovskite, dẫn đến giảm hiệu quả vận chuyển electron và giảm Voc;

· Biên độ mất: Mất Voc do lớp vận chuyển thường là0,03 ~ 0,1 VVí dụ: Sno₂Với ETL được tối ưu hóa cho doping, Voc có thể tăng 0,05~0,08 V).

3. Mất tiếp xúc điện cực

Điện trở tiếp xúc quá mức của các điện cực kim loại (như Au, Ag) với HTL hoặc điện cực tiếp xúc trực tiếp với perovskite (khi không có lớp vận chuyển) gây ra sự kết hợp của các tàu sân bay:

· Điện trở tiếp xúc: Nếu điện trở tiếp xúc giữa điện cực HTL và Au>10Ω・cm²， Lỗ khó tiêm điện cực từ HTL, dẫn đến tích tụ lỗ và tăng hợp;

· Tiếp xúc trực tiếp: mức Fermi của điện cực kim loại không phù hợp với mức perovskite, tạo ra một "rào cản Schott", cản trở việc vận chuyển các tàu sân bay, trong khi các nguyên tử kim loại như Au có thể khuếch tán vào perovskite để tạo ra các khiếm khuyết làm trầm trọng thêm sự kết hợp;

· Thông số kỹ thuật sản phẩm: - Type: Digital Multifunction Imaging System - Standard Functions: Copy, Print (0,02 ~ 0,05 V), nhưng chuẩn bị điện cực kém (chẳng hạn như nhiệt độ quá cao khi hấp và mạ Au) làm tăng đáng kể tổn thất.

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)

Định lượng và định vị chính xác tổn thất Voc là điều kiện tiên quyết để tối ưu hóa. Các kỹ thuật mô tả thông thường có thể được chia thành hai loại "định lượng tổn thất vĩ mô" và "phân tích cơ chế vi mô":

IV. Chiến lược tối ưu hóa Voc Loss

Đối với các nguồn tổn thất nêu trên, hướng tối ưu hóa chính hiện tại tập trung vào "ức chế hợp chất không bức xạ" và "tối ưu hóa liên kết mức năng lượng", các chiến lược cụ thể như sau:

1. thụ động khiếm khuyết cơ thể: giảm tổn thất này

· Cation doping: với Cs⁺và RB⁺Thay thế FA⁺(Ảnh: FACPBI)₃), ức chế biến dạng mạng perovskite, giảm V_Tôi⁺và V_{Chất lượng Pb}^2-khuyết tật;

· Doping anion: với Br⁻Thay thế I⁻Ví dụ: FAPBI₂Br）， Thu hẹp chiều rộng đuôi Urbach, giảm phức hợp không bức xạ vốn có;

· Chất thụ động khiếm khuyết: thêm muối guanidine (ví dụ: GuaI), thiourea, v.v. vào tiền chất perovskite, bằng cách phối hợp (ví dụ: N với Pb²)⁺Liên kết) thụ động bề mặt/khuyết tật pha cơ thể.

2. Kỹ thuật giao diện: loại bỏ tổn thất cốt lõi không đặc trưng

· Giao diện thụ động: với Al₂O₃、 Các lớp vô cơ như LiF, hoặc PCBM, PEAI và các phân tử hữu cơ khác sửa đổi ETL/Perovskite, giao diện Perovskite/HTL, lấp đầy các liên kết treo, ức chế các hợp chất khiếm khuyết (chẳng hạn như PEAI sửa đổi bề mặt Perovskite, có thể làm cho Voc tăng 0,1~0,15 V);

· Điều chỉnh mức năng lượng: doping qua ETL (như SnO)₂pha tạp W⁶⁺Giảm đáy dây dẫn), sửa đổi HTL (chẳng hạn như PTAA doped LiTFSI để tăng độ di chuyển lỗ), tối ưu hóa sự liên kết mức năng lượng giao diện và thúc đẩy tách tàu sân bay.

3. Tối ưu hóa lớp vận chuyển: nâng cao hiệu quả vận chuyển tàu sân bay

· Tối ưu hóa ETL: Sử dụng SnO₂Thay thế TiO₂(Sno)₂đáy dây dẫn thấp hơn, phù hợp với mức năng lượng tốt hơn), hoặc ETL dày đặc, khiếm khuyết thấp được chuẩn bị bằng ALD (lắng đọng lớp nguyên tử);

· Tối ưu hóa HTL: Phát triển HTL di động cao (như NiO)ₓHTL vô cơ, tỷ lệ di chuyển>10⁻²Cm²/(V)・s)）， Thay thế Spiro-OMeTAD để giảm thiểu các khiếm khuyết và kháng HTL.

4. Đổi mới cấu trúc thiết bị: giảm tổn thất tiếp xúc

· Cấu trúc lớp vận chuyển không lỗ (HTL-free): Tiếp xúc trực tiếp với perovskite bằng điện cực carbon, tránh các khiếm khuyết HTL và các vấn đề chi phí;

· Cấu trúc hoàn toàn vô cơ: với CsPbI₃Perovskite+ETL vô cơ/HTL (như TiO)₂/ NiOₓ() Nâng cao tính ổn định đồng thời giảm sự kết hợp giao diện do các lớp hữu cơ mang lại.

V. Kết luận và thách thức

Sự mất mát Voc của các tế bào năng lượng mặt trời perovskite là kết quả của sự kết hợp của "tính chất vốn có của đặc điểm này" với "khiếm khuyết thiết bị không đặc trưng".Giao diện Hợp chất không bức xạvàOntology khiếm khuyết CompoundLà nguồn tổn thất chính hiện nay. Thông qua "thụ động khiếm khuyết", "kỹ thuật giao diện", "tối ưu hóa mức năng lượng", Voc của PSC hiện tại đã tăng từ 0,9 V trước đó lên trên 1,2 V (dựa trên perovskite Eg≈1,5 eV), nhưng vẫn còn khoảng cách tối ưu 0,15~0,2 V từ giới hạn S-Q.

Những thách thức trong tương lai bao gồm:

1. Làm thế nào để giảm hơn nữa "tổn thất không bức xạ vốn có" (chẳng hạn như thu hẹp đuôi Urbach thông qua hiệu ứng giới hạn lượng tử);

2. Phát triển một lớp thụ động ổn định lâu dài để tránh sự thất bại của các tác nhân thụ động trong điều kiện ánh sáng/nóng ẩm;

3. Đạt được kiểm soát đồng đều tổn thất Voc trong các thiết bị diện tích lớn (hầu hết các thiết bị hiệu quả cao hiện nay là diện tích nhỏ, nhiều khiếm khuyết giao diện diện tích lớn hơn và tổn thất Voc lớn hơn).

Sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế mất Voc và tối ưu hóa mục tiêu là chìa khóa để đạt được hiệu suất pin perovskite vượt quá 30% (giới hạn S-Q khoảng 33%).