太陽(yáng)能電池是實(shí)現(xiàn)光能到電能轉(zhuǎn)換的光伏器件。在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，光伏器件內(nèi)部經(jīng)歷了光生電荷的產(chǎn)生、分離、轉(zhuǎn)移、輸運(yùn)、復(fù)合、抽取等多個(gè)體相和界面動(dòng)力學(xué)過(guò)程。這些電荷動(dòng)力學(xué)過(guò)程本質(zhì)上主導(dǎo)著器件本身的性能。如何精確測(cè)量些微觀動(dòng)力學(xué)參數(shù)？如何準(zhǔn)確理解這些動(dòng)力學(xué)過(guò)程的物理機(jī)制? 是光電、電光領(lǐng)域的重要研究課題。也是評(píng)價(jià)材料性能和指導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)而提高器件性能的必由之路。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心孟慶波團(tuán)隊(duì)在探索高性能薄膜新型太陽(yáng)能電池的同時(shí)一直致力于開(kāi)發(fā)用于太陽(yáng)能電池的電荷動(dòng)力學(xué)和缺陷態(tài)等物理性質(zhì)的量化測(cè)量和分析方法，已經(jīng)取得了一系列研究成果。比如成功研制了可調(diào)控的太陽(yáng)能電池瞬態(tài)光電測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池在實(shí)際工作狀態(tài)下電荷動(dòng)力學(xué)的測(cè)量（Rev. Sci. Instrum. 2016, 87, 123107），成功應(yīng)用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池離子動(dòng)力學(xué)的測(cè)量（Appl. Phys. Lett. 2015, 107, 163901）；量化分析了太陽(yáng)能電池的界面和體相缺陷分布，并用于闡明了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的電學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題的界面起源（Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901352）。

從光伏器件的差分電容入手研究了基于電瞬態(tài)表征技術(shù)的常規(guī)帶尾態(tài)模型理論框架的有效性問(wèn)題，指出該模型在電池測(cè)量狀態(tài)的一致性和對(duì)太陽(yáng)能電池光電壓產(chǎn)生的物理過(guò)程等方面存在不合理假設(shè)，證明帶尾態(tài)模型理論分析方法在太陽(yáng)能電池測(cè)量和研究不具備的普適性。

通過(guò)理論計(jì)算模擬電瞬態(tài)表征技術(shù)背后器件的載流子動(dòng)力學(xué)和電荷損失機(jī)制，他們提出了一種新的量化太陽(yáng)能電池電荷損失的理論分析方法，可以從電瞬態(tài)表征技術(shù)中定量提取光伏器件的電荷動(dòng)力學(xué)量子效率和相關(guān)缺陷態(tài)信息（例如：定量化器件中電荷抽取和收集量子效率以及吸收層中的缺陷態(tài)密度）。該方法對(duì)于常規(guī)硅太陽(yáng)能電池、新興的銅鋅錫硫太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池具有很好的普適性，并且能夠擴(kuò)展到其他類(lèi)似結(jié)構(gòu)的光伏器件。這項(xiàng)工作為全面研究太陽(yáng)能電池中載流子動(dòng)力學(xué)過(guò)程和電荷損失機(jī)制提供了有效的途徑，并在其他光電器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

該工作以“Exploiting Electrical Transients to Quantify Charge Loss in Solar Cells”為題，發(fā)表在Joule雜志上 （Joule 4, 472–489）。物理所博士研究生李一明和物理所石將建副研究員為該論文的共同第一作者，物理所孟慶波研究員為該論文的通訊作者。這項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和科技部的支持。


圖1. 對(duì)于器件差分電容的精確測(cè)量


圖2. 鈣鈦礦吸收層中電荷傳輸?shù)哪M和光電壓的建立過(guò)程


圖3. 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的電瞬態(tài)研究：Device A and B光電轉(zhuǎn)換效率 （A）量化電荷抽取和收集量子效率（B）以及鈣鈦礦吸收層中的缺陷態(tài)密度（C）。