Ultrafast Charge Separation and Nongeminate Electron-Hole Recombination in Organic Photovoltaics
有机太阳能电池中的电子-空穴分离机制是目前争论的热点。最近的实验工作表明，这些电荷可以在极短的时间尺度（<100 fs）上分离。这可以理解为富勒烯聚集体内的离域传输，这被认为是在电子振动弛豫诱导极化子形成之前的短时间尺度上出现的。然而，在最佳的异质结形态中，电子和空穴在到达电极之前通常会重新相遇。如果这样的电荷捕获并且不能分离，则器件效率将受损。在这里，我们扩展了超快电荷分离的理论，将极化子的形成，并发现，用于解释超快电荷分离的相同的离域运输可以解释在最好的设备中的非甘尼酸盐复合的抑制。
2014-06-04 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Kinetic Control of Recombination in Organic Photovoltaics: The Role of Spin
在光伏二极管中，光生电子和空穴的复合是主要的损耗过程。生物捕光复合物（LHC）通过使用级联结构防止重组，这导致电荷载体的空间分离1。相比之下，有机光电池（OPV）中的纳米级形态和高电荷密度给出了高速率的电子-空穴相遇，这应当导致自旋三重态激子的形成，如在有机发光二极管（OLED）2中。如果每次相遇都导致复合，则OPV的量子效率将很差，但最先进的OPV表现出接近1的量子效率3。在这里，我们表明，这种抑制重组可以通过有机半导体中的电子激发的自旋，能量和离域之间的相互作用来设计。我们使用时间分辨光谱研究了一系列模型，高效率的聚合物-富勒烯系统，其中最低的分子三重态激子（T1）（在聚合物上）低于分子间电荷转移态（CT）。我们观察到双分子复合后T1态的形成，表明自旋不相关的电子和空穴的相遇产生具有自旋单重态（1CT）和自旋三重态（3CT）特征的CT态。我们发现，三重态激子的形成可以是OPV的主要损耗机制。然而，我们发现，即使在积极的青睐，松弛的3CT到T1可以强烈抑制，通过控制波函数离域，允许解离的3CT回到自由的变化，从而减少重组和提高设备的性能。我们的研究结果指出了人工光转换系统的新设计规则，能够抑制电子-空穴复合，也可以用于OLED，避免形成三重态并提高荧光效率。
2013-03-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Photovoltaic efficiency of transition metal dichalcogenides thin films by ab initio excited-state methods
本研究采用G₀W₀-BSE从头算多体微扰理论计算2H-TMDCs薄膜的光电子特性，评估其光伏性能，得出200 nm厚WSe₂薄膜效率上限达29%，且现有合成技术下其光伏性能仍有提升空间。
2023-12-16 cond-mat.mtrl-sci
Transient terahertz photoconductivity measurements of minority-carrier lifetime in tin sulfide thin films: Advanced metrology for an early-stage photovoltaic material
以提高光吸收半导体的少数载流子寿命为重点的材料研究是推进太阳能技术的关键，无论是早期阶段还是成熟的材料平台。硫化锡（SnS）是一种吸收材料，在制造和部署方面具有明显的优势，但创纪录的功率转换效率仍低于5%。我们报告的测量体和界面少数载流子复合率在SnS薄膜使用光泵，太赫兹（THz）探测瞬态光电导（TPC）测量。生长后在H_2S气体中退火增加了少子寿命，表面氧化降低了表面复合速度。然而，少数载流子寿命保持低于100 ps的所有测试组合的生长技术和生长后处理。SnS太阳能电池性能的显著改善将取决于发现和减轻迄今未知的复合活性缺陷。我们详细描述了我们的TPC实验方法，我们分享我们的数据分析例程作为免费提供的软件。
2015-11-24 cond-mat.mtrl-sci
Theoretical Limits of Photovoltaics Efficiency and Possible Improvements by Intuitive Approaches Learned from Photosynthesis and Quantum Coherence
在这篇综述中，我们提出并讨论了光化学的主要趋势，重点是转换效率的限制。提出并分析了各种光致发光器件概念的理论极限，采用了一个灵活的细致平衡模型，其中更多的讨论强调的是对损耗的研究。同时，也讨论了自然界和其他领域中提高光电转换效率的一些经验教训。从光合作用，光合复合物中完美的激子传输可以用于PV。此外，我们提出了一些经验教训，从其他领域，如复合抑制量子相干性。例如，光合反应中心中的耦合用于抑制光电池中的重组。
2014-02-09 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Beyond 1 ms Charge-Carrier Recombination Dynamics in the CsPbBr3 Perovskite
本文研究CsPbBr3钙钛矿的载流子复合动力学，发现其寿命在低温下超1 ms、室温近100 μs，并通过TRMCD与建模证明该超长寿命由杂质电荷俘获主导，为叠层电池及光电探测等应用提供新思路。
2023-06-25 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A Unified Diode Equation for Organic Photovoltaic Devices
针对有机光伏器件现有解析二极管模型忽略注入载流子影响的问题，本研究采用区域近似法推导了考虑载流子抽取、注入与双分子复合相互作用的统一二极管方程，经数值模拟与实验验证，该框架可揭示器件物理机制并适用于低迁移率半导体薄膜光伏器件。
2023-07-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Hybrid photovoltaic and electron-tunneling converters
光子撞击能够释放半导体中的电子。当电子输运主要由温度梯度控制时，将导致高的不可逆性，从而降低转换器的效率。一个基本的研究，在没有光化学\cite{1}已经实现了减少这些不可逆性考虑熵变化，由于电子流。在这里，我们提出了一个未报告的机制，集成光伏转换和电子隧穿。占据超过窗口限制的能级的光子激发电子首先被囚禁在阴极内，然后被给予快速再热化的机会，并最终被允许进入隧道。能量浪费的不可逆性和重组最小化相对于传输能量和传输窗口，表征隧道。将此机制应用于高聚光太阳能电池时，所提出的混合模型优于其他模型。它还提供了一个指南，为提高效率，在未来的光子到电子转换器为代表的第三代光伏系统。
2014-09-11 cond-mat.mtrl-sci
Charge-carrier lifetime measurements in early-stage photovoltaic materials: intuition, uncertainties, and opportunities
由于缺陷的普遍存在和关于材料特性的有限信息，许多早期薄膜光伏材料中的载流子寿命的测量可能是困难的。在这个角度来看，我们给出了一个简短的概述，用于测量寿命的典型技术，并讨论了从这些技术估计寿命所涉及的直觉，专注于时间分辨的光致发光作为一个例子。然后，我们深入研究分析寿命测量所涉及的基本假设和不确定性。最后，我们概述了利用两种新兴的技术来解耦不同的复合机制：双光子光谱，我们证明了BiI 3薄膜，和温度和注入依赖的电流-电压测量寿命测量的精度提高的机会。
2018-05-15 cond-mat.mtrl-sci
Ab initio calculation of the detailed balance limit to the photovoltaic efficiency of single p-n junction kesterite solar cells
单结太阳能电池的光伏效率的热力学极限可以使用活性光吸收材料的带隙容易地预测。这种方法忽略了由于非辐射电子-空穴过程引起的能量损失。我们提出了一个实用的从头算程序来确定薄膜太阳能电池的最大效率，同时考虑到辐射和非辐射复合。所需的输入包括依赖于频率的光吸收系数，以及捕获截面和平衡点缺陷的人口。对于气钡石结构的Cu $_2$ ZnSnS $_4$，对于约2.6微米的膜厚度达到辐射极限，其中由于光吸收的效率增益被由于复合电流的增加的损耗抵消。
2021-04-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Carrier transport and performance limit of semi-transparent photovoltaics: CuIn$_{1-x}$Ga$_x$Se$_2$ as a case study
用于建筑集成应用的半透明光伏器件具有同时提供发电和自然光穿透的潜力。CuIn $_{1-x}$ Ga $_x$ Se $_2$（CIGS）已被确立为用于薄膜光致变色的成熟技术，然而，其用于半透明光致变色（STPV）的潜力尚待开发。在本文中，我们提出了其载流子输运物理解释的趋势，在最近发表的实验。STPV只需要沉积几百纳米的薄膜就可以使其透明，与传统的薄膜太阳能电池相比，它具有几种独特的性能。我们的分析表明，短路电流，JSC是占主导地位的耗尽区产生的载流子，使其几乎独立的体和背表面复合。体复合，这限制了开路电压Voc，似乎是高于通常归因于众多的晶界。当吸收层减小到500 nm以下时，晶粒尺寸减小，导致更多的晶界和更高的电阻。这就产生了串联电阻和吸收体厚度之间的反比关系。我们还提出了一个厚度依赖模型的分流电阻显示其在这些超薄设备的影响。对于各种情况下的散装和接口重组，分流和串联电阻，AVT和组成的CuIn $_{1-x}$镓$_x$硒$_2$，我们项目的效率限制-对于大多数实际情况下-被发现是$\leq$ 10%的AVT $\geq$ 25%。
2021-10-05 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Silicon solar cells efficiency analysis. Doping type and level optimization
对n型和p型基区的高效硅太阳电池的光电转换效率进行了理论分析。当硅体中的Shockley-Read-Hall复合由Fe的深能级决定时，考虑了这种情况。结果表明，由于复合参数的不对称性，这一水平的光伏转换效率是增加在SC与n型基地和减少在SC与p型基地与掺杂的增加。当进行分析时，考虑两个近似的带-带俄歇复合寿命依赖于基掺杂水平。给出了基于本征薄层（HIT）$α-Si:H-n-Si$异质结太阳能电池的关键特性的实验结果。对HIT电池特性的实验值与计算值进行了比较。由此确定了表面复合速度和串联电阻，其SC参数的实验值与计算值完全吻合。
2015-06-09 cond-mat.mtrl-sci
Rapid Recombination by Cadmium Vacancies in CdTe
CdTe是一种关键的薄膜光伏技术。非辐射电子-空穴复合将太阳能转换效率从理想值32%降低到目前的22%。镉空位（V_Cd）是p型CdTe中一个重要的受主物种，但关于其结构和电子行为的争论仍在继续。利用从头算缺陷技术，我们计算了V_Cd的负U双受主能级，同时再现了V_Cd^-1空穴极化子，使理论预测与实验观察相一致。我们发现镉空位有利于快速的电荷载流子复合，降低最大功率转换效率超过5%的未经处理的碲化镉-碲二聚，亚稳态结构安排，和非谐势能面的载流子捕获的结果。
2021-03-15 cond-mat.mtrl-sci
Thermal response of photovoltaic cell to laser beam irradiation
本文首次提出用双激光束照射光电池的概念，以研究远距离能量传输效率的温度依赖性。其次，本文建立了任意单色光在多层膜结构中的多次反射和吸收模型，并对光电池的产热进行了解释。建立了光电池在激光辐照下的温度场有限元模型。最后，讨论了温度升高对光电池效率和可靠性的影响，为光电转换系统的设计提供理论参考。
2014-05-08 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Scanning mid-IR-laser microscopy: an efficient tool for materials studies in silicon-based photonics and photovoltaics
最近提出了一种扫描中红外激光显微镜的方法，用于研究半导体中的大规模电学和复合活性缺陷，以及在微电子和光电子工业中对半导体材料和结构的无损检测。这一发展的基础是对半导体中低角度中红外光散射的广泛研究。该技术思想的实质是应用暗场方法在扫描中红外激光显微镜中对散射光进行空间滤波，并在所研究的样品中的小区域内对过量载流子进行局部光激发，从而形成用于缺陷的复合对比度成像的探测红外光散射的人工源。本文介绍了三个对比的例子，应用上述技术的缺陷可视化的硅基材料设计的光电子学和光子学，这表明这种技术可能是一种有效的工具，缺陷调查和工业测试的半导体材料。
2010-08-24 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Chalcogen Vacancies Rule Charge Recombination in Pnictogen Chalcohalide Solar-Cell Absorbers
本研究通过第一性原理计算揭示BiSeI中硒空位是高浓度非辐射复合中心，限制效率至24%，提出阳离子贫乏合成和阴离子替代缓解策略，并预测BiSBr更优。
2025-04-25 cond-mat.mtrl-sci
Auger recombination and carrier multiplication in embedded silicon and germanium nanocrystals
在三维实空间网格中，采用经验赝势波函数，精确计算了宽禁带中Si和Ge纳米晶的俄歇复合寿命和载流子倍增寿命.我们的结果支持最近的实验数据提供了新的预测。我们提取简单的俄歇常数有效的NC。我们表明，硅和锗纳米碳可以受益于光伏效率的提高，通过CM由于以下事实，即在超过两倍的带隙能量的光激发下，电子获得狮子的份额从总过剩能量，并可以导致CM。我们预测，CM变得特别有效的热电子与CM阈值以上约1 eV的过剩能量。
2008-04-16 cond-mat.mtrl-sci
CuSbSe2 photovoltaic devices with 3% efficiency
现有薄膜太阳能电池技术的最新技术和商业成功激发了对下一代光伏（PV）吸收剂材料的探索。特别令人感兴趣的是像CuSbSe $_2$这样的化合物，它们不具有传统的四面体半导体键合。在这里，我们展示了1.5 μm厚的CuSbSe $_2$ PV原型制备在380-410°C的自调节溅射过程中使用传统的衬底器件架构。p型CuSbSe $_2$吸收体具有1.1eV的光吸收起始，在起始以上0.3eV处的~ $10^{5}$ cm $^{-1}$吸收系数，以及~10 $^{17}$ cm $^{-3}$的空穴浓度。在这些初始器件中有希望的>3%的能量转换效率（Jsc = 20 mA/cm $^2$，FF = 0.44，Voc = 0.35 V）受到限制光电流的体复合、影响填充因子的器件工程问题以及可能由非理想CuSbSe 2/CdS带偏移引起的光电压不足的限制。
2015-05-09 cond-mat.mtrl-sci
Switchable Ferroelectric Photovoltaic Effects in Epitaxial Thin Films of h-RFeO3 having Narrow Optical Band Gaps
铁电光伏材料由于具有高稳定性、环境安全性、高光伏电压和可逆光伏响应等优点而受到广泛关注。然而，FPV具有极低的光电流，这主要是由于它们的宽带隙。在这里，我们提出了一类新的FPV，通过使用六方晶系铁氧体（h-RFeO 3）薄膜具有窄的带隙~1.2 eV，其中R表示稀土离子的开关铁电光伏效应。具有窄带隙的FPV表明其作为光伏和光电子器件的潜在应用。h-RFeO 3薄膜还表现出相当大的铁电极化，这可能会降低光生电子-空穴对的快速复合速率。h-RFeO 3薄膜器件的功率转换效率（PCE）对偏振的大小很敏感。在h-TmFeO 3（h-TFO）薄膜的情况下，测得的PCE是BiFeO 3薄膜（原型FPV）PCE的两倍。我们进一步表明，可切换的光伏效应占主导地位的不可切换的内部场效应所产生的净内置电位。因此，这项工作展示了一种新型的FPV，用于高效太阳能电池和光电应用。
2017-11-09 cond-mat.mtrl-sci
Charge separation in organic photovoltaic cells
我们考虑了一个简单的模型，在有机光伏电池的成对电子空穴分离过程中，为了说明的影响的导电通道的维度上的效率的过程。用Miller-Abrahams最近邻点跃迁速率表达式模拟电子在空穴库仑场中的随机行走。非平衡态动力学蒙特卡罗模拟结果定性地证实了平衡态的估计，尽管定量地高维系统的效率不太明显。电子在复合前的寿命近似等于解离前的寿命。它们的值表明，电子在被收集器捕获或重新组合之前会进行长时间的随机行走。非平衡自由能与平衡自由能有很大的不同。分离过程的效率随着到收集器的距离的增加而降低，并且这种降低对于三维系统来说显著地不太明显。模拟结果是在良好的协议与连续Onsager理论的扩展，占有限的复合率在非零反应半径和非指数动力学的电荷分离过程。
2014-03-26 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Magnetic field enhancement of organic photovoltaic cells performance
电荷分离是实现有机光伏电池高效率的关键过程。初始紧密结合的激子电子-空穴对必须足够快地解离，以避免光电流产生，从而避免经由成对复合的功率转换效率损失。这样的过程发生的过渡状态之间的初始激子和自由电荷状态的帮助。由于自旋守恒规则，这些中间电荷转移态通常具有单重态特征。在这里，我们提出了一个通用的有机光伏电池的供体-受体模型，其中的电荷分离的过程是由一个磁场，调谐的能级调制。磁场的作用是通过系统间的交叉加强具有三重态特征的电荷转移态的产生。由于系统的基态具有单重态特征，因此三重态受到复合保护，从而导致成功电荷分离的更高概率。使用开放量子系统的形式主义，我们证明，不仅人口的三重态电荷转移态的增长，在存在的磁场，但也如何的功率输出的有机光伏电池是以这种方式增加。
2017-01-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Data-driven Discovery of Novel High-performance Quaternary Chalcogenide Photovoltaics
本文结合数据驱动与第一性原理及非绝热分子动力学模拟，从四元半导体中预测出14种高性能光伏材料，并重点揭示四种化合物具有接近最优带隙、低激子结合能和长载流子寿命等优异光电特性。
2025-07-21 cond-mat.mtrl-sci
How much physics is in a current-voltage curve? Inferring defect properties from photovoltaic device measurements
缺陷辅助复合过程是理解的关键，因为它们经常限制光伏（PV）器件的性能。然而，控制这些过程的物理参数可能非常难以测量，需要专门的技术和样品制备。然而，它们限制通过电流-电压（JV）特性测量的性能的事实表明，它们必须在该测量中具有一些可检测的信号。在这项工作中，我们使用数值设备模型，明确占这些参数与高通量JV测量和贝叶斯推断构建概率分布的重组参数，显示恢复值与以前报道的文献测量一致的能力。贝叶斯方法可以很容易地将来自其他来源的数据和模型，我们证明了这与温度依赖性的载流子捕获截面。从标准化，自动化测量完成的设备中提取这些基本物理参数的能力对于已建立的工业光伏技术和新的研究阶段的技术都是有希望的。
2019-12-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.data-an
Separate-path electron and hole transport across pi-stacked ferroelectrics for photovoltaic applications
电子和空穴分离路径传输理论上发现在π堆叠的有机层和柱。这种效应可能是电荷复合问题的解决方案。结构分子1，3，5-三氰基-2，4，6-三羧基苯含有介晶平面芳香部分和使体系具有铁电性的末端偶极基团。电子的扩散路径穿过芳环，而空穴在偶极基团之间跳跃。由于π型轨道的重叠，传输函数和电荷迁移率，特别是空穴，对分子环之间的距离非常敏感。我们验证了扩散路径的分离不会被石墨烯引线的应用破坏。这些特征使得该系统适用于高效太阳能电池，其载流子迁移率高于有机金属卤化物钙钛矿中的载流子迁移率。
2016-03-18 cond-mat.mtrl-sci
Indirect band gap semiconductors for thin-film photovoltaics: High-throughput calculation of phonon-assisted absorption
高性能材料的发现仍然是光伏研究中最活跃的领域之一。间接带隙材料构成了半导体化学空间的最大部分，但从第一性原理计算预测它们对PV应用的适用性仍然具有挑战性。在这里，我们提出了一个计算效率高的方法来考虑声子辅助吸收整个间接带隙，并用它来筛选127实验已知的二元半导体的潜在的薄膜光伏吸收。使用筛选描述符的吸收，载流子输运和非辐射复合，我们确定了28个潜在的候选材料。该列表包含20种间接带隙半导体，包括成熟的（3），新兴的（16）和以前未开发的（9）吸收材料。这些新化合物大多是富含负离子的硫族化合物（TiS $_3$，Ga $_2$ Te $_5$）和含同质元素键的磷化物（PdP $_2$，CdP $_4$，MgP $_4$，BaP $_3$），代表了光伏材料研究的新前沿。我们的工作突出了间接带隙材料的光电薄膜技术以前未开发的潜力。
2022-07-19 cond-mat.mtrl-sci
Quantitative theory of the grain boundary impact on the open-circuit voltage of polycrystalline solar cells
薄膜多晶光致发光是一种成熟的商业相关技术。然而，关于晶界在这些材料性能中的作用以及这些缺陷可能限制进一步进展的程度的基本问题仍然存在。在这项工作中，我们首先扩展以前的分析柱状晶界开发一个模型的“倾斜”晶界的复合电流。然后，我们考虑系统与多个，相交的晶界和数值确定的参数空间，我们的分析模型准确地描述了复合电流。我们发现，对于与薄膜光电性能相关的材料参数，我们的模型可以应用于计算具有非均匀晶界网络的材料的开路电压。该模型弥补了纳米级表征观察到的晶界特性分布与其对宏观器件开路电压的影响之间的差距。
2019-02-10 cond-mat.mtrl-sci
Dislocation contrast in cathodoluminescence and electron-beam induced current maps on GaN(0001)
我们从理论上分析了在GAN（0001）表面的阴极发光和电子束感应电流图中观察到的穿透位错露头处的对比度。我们考虑激子扩散和复合，包括有限的复合速度在平面表面和位错。制定的互易定理，这种一般情况下，使我们能够提供一个严格的分析解决这个扩散复合问题。将计算结果应用于一个实验实例，确定了位错密度为$6\times10^{5}$ ~cm $^{-2}$的自支撑GAN层中的激子扩散长度和穿透位错的复合强度。
2016-11-21 cond-mat.mtrl-sci
Order of Decay of Mobile Charge Carriers in P3HT:PCBM Solar Cells
有机太阳能电池的载流子动力学受到捕获的强烈影响，并允许得出限制光伏性能的损耗机制的结论。在这项研究中，我们推导出的移动载流子的复合顺序Δ。对于退火的P3HT：PCBM太阳能电池，它使我们能够精确定位的主导重组的移动与捕获的载流子在尾部状态。虽然在光照下暴露于氧气30小时后，特征尾态能量从约40 meV上升到约100 meV，但Δ仅从1.70微弱下降到1.62：这对应于向陷阱辅助复合的轻微偏移。
2013-07-10 cond-mat.mtrl-sci
Behavior of $\mathbf{Σ3}$ grain boundaries in \CISe\ and \CGSe\ photovoltaic absorbers as revealed by first-principles hybrid functional calculations
先前对\S 3 \\CISe \中的晶界（GB）的第一性原理研究的不确定结果揭示了采用一种能够正确描述这种太阳能电池材料的电子结构的方法的重要性。我们采用混合泛函计算方法研究了\CISe和\CGSe中的\S 3（112）和\S 3（114）GB。通过形成GB引入的电子结构变化是三方面的：间隙状态的创建，带边的移动和带隙尺寸的改变。带隙态通常表现为复合中心，但是由GB引起的能带对准和带隙尺寸的变化减轻了这些态在\CISe中的破坏性作用。这意味着，\S 3 \GB对于基于\CISe的设备中的载波传输是无害的。相反，这些GB对于\CGSe中的载流子输运是破坏性的。实验人员可以考虑\S 3 \GB在CISe和CGSe中的不同行为，以优化器件制造，从而获得高性能太阳能电池。
2016-01-06 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen Concentration in Photovoltaic a-Si:H Annealed at Different Temperatures Measured by Neutron Reflectometry
非晶氢化硅（a-Si：H）是用于光伏硅（Si）晶片表面缺陷钝化以减少其复合损失的重要材料。然而，该材料在高温下的氢（H）解吸方面是不稳定的，这在加工和器件制造期间可能是一个问题。在这项工作中，我们确定的a-Si：H/Si双层结构的中子（NR）和X射线反射计（XRR）结合光电导测量产生的少数载流子寿命的表征的温度稳定性的a-Si：H。中子对氢等轻元素敏感，而对氢浓度不敏感的X射线对层结构提供了独立的约束。结果表明，H-脱附发生在温度T = $425\,^{\circ}\mathrm{C}$附近，并且氢含量与少子寿命呈强相关的线性关系，这可以解释为一个氢原子钝化一个缺陷。
2018-05-22 cond-mat.mtrl-sci
Relating Band Edge DOS Occupancy Statistics Associated Excited State Electrons Entropy Generation to Free Energy Loss and Intrinsic Voc Deficit of Solar Cells
该研究将带边 DOS 占据及激发态电子熵与太阳能电池自由能损失和本征 Voc 亏损关联，指出带边 DOS 工程是突破辐射复合损失、优化性能的新维度。
2022-11-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Quantum-kinetic perspective on photovoltaic device operation in nanostructure-based solar cells
下一代高效太阳能电池的各种新概念的实现是基于具有配置可调光电特性的纳米结构。另一方面，有效的纳米光学光捕获概念使得能够使用超薄吸收体架构。在这两种情况下，电子和光学状态的局部密度强烈偏离均匀的块状材料。与此同时，隧道效应或弹道输运等非局部和相干现象变得越来越重要。因此，半经典的，扩散体图片传统上假定可能不再是适当的，以描述的物理过程的产生，运输，和重组管理这样的设备的光伏操作。在这篇综述中，我们提供了一个量子动力学的角度来看光伏器件的操作，达到超出了散装太阳能电池的标准模拟模型的限制。通过将半经典模型对关键物理量（例如吸收系数、发射光谱、产生和复合速率以及电势、密度和电流）的预测与基于非平衡量子统计力学的更基本描述给出的相应性质进行比较，在基于超薄膜和纳米结构的太阳能电池架构中评估与体物理的偏差。这种先进的方法，同时铺平了道路，以全面的量子理论的photopolics，桥梁模拟微观材料和宏观器件水平提供的载流子动力学在介观尺度。
2017-08-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Mg$_{2}$Si and Ca$_{2}$Si semiconductors for photovoltaic applications: Calculations based on density-functional theory and the Bethe-Salpeter equation
本研究通过密度泛函理论和BSE方法评估Mg2Si和Ca2Si的电子光学性质及光伏性能，发现Ca2Si适合单结薄膜光伏，Mg2Si适合多结底电池。
2025-03-01 cond-mat.mtrl-sci
Impermeable Inorganic Walls Sandwiching Photoactive Layer toward Inverted Perovskite Solar and Indoor-Photovoltaic Devices
钙钛矿活性层和电荷传输层（CTL）之间的界面在卤化物-钙钛矿光致发光材料的效率和稳定性两者中起关键作用。其中一个主要的问题是，钙钛矿的表面缺陷可能会导致有害的非辐射复合和材料降解。在这项工作中，我们通过在三阳离子碘化铅钙钛矿层和两个CTL之间插入碱土金属氟化物（AF）膜来解决这个具有挑战性的问题。这种双侧无机壁策略利用了连续、均匀和紧凑的AF框架的物理阻挡和化学锚定功能：一方面，钙钛矿-AF界面均匀分布的碱碘配位有效抑制了整个钙钛矿薄膜表面和晶界碘空位缺陷的形成，从而减少了在钙钛矿-CTL界面处的陷阱辅助复合以及由此的开路电压损失;另一方面，即使在苛刻的工作条件下，不可渗透的AF缓冲层也有效地防止了在钙钛矿-CTL界面处的双向离子迁移。结果表明，低温处理的倒置平面钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE）为22.02%（认证效率20.4%），开路电压赤字（< 0.4V）较低。获得了优异的操作稳定性（500 h，ISO-L-2）和热稳定性（1000 h，ISO-D-2）。同时，使用优化的装置在昏暗光源（1000勒克斯白光LED光）下获得35.7%的PCE，这是钙钛矿室内光致发光的最佳记录之一。
2020-10-12 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Correlated In-Situ Low-Frequency Noise and Impedance Spectroscopy Reveal Recombination Dynamics in Organic Solar Cells using Fullerene and Non-Fullerene Acceptors
基于苝二酰亚胺（PDI）的非富勒烯受体作为富勒烯受体的替代物在有机光致发光（OPV）中引起了极大的兴趣，但它们的电荷传输现象还没有很好地理解，特别是在体异质结（BHJ）中。在这里，我们调查电荷传输和电流波动进行相关的低频噪声和阻抗谱测量两个BHJ OPV系统，一个采用富勒烯受体和其他采用二聚PDI受体。在黑暗中，这些测量结果表明，与基于富勒烯的OPV相比，基于PDI的OPV具有更大程度的复合。此外，第一次在有机太阳能电池中，1/f噪声数据拟合到Kleinpenning模型，以揭示不同传输机制中的潜在电流波动。在光照下，1/f噪声增加了约四个数量级的富勒烯为基础的OPV和三个数量级的基于PDI的OPV。噪声谱密度和功率转换效率之间也存在负相关。总体而言，这些结果表明，低频噪声光谱是一种有效的原位诊断工具，可以评估新兴光伏材料中的电荷传输，从而为下一代太阳能电池材料和技术的设计提供定量指导。
2017-09-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Ultra-long charge carrier recombination time in methylammonium lead halide perovskites
金属卤化物钙钛矿（MHP）由于其优异的光伏特性而在太阳能电池中具有潜在的应用前景。近年来，基于MHP的太阳能电池的功率转换效率从最初的几个%迅速提高到单结器件的25%以上。因此，考虑到其低成本和易于制造，基于MHP的太阳能电池已成为发展最快的光伏技术。在这方面，最近的许多工作主要是基于甲基铵MHP的吸收剂材料，例如MAPbX $_3$，其中MA=CH $_3$ NH $_3$，X=Cl、Br和I。在这里，我们提出了在$4$至$290\ \text{K}$的非常宽的温度范围内对三种母体MAPbX $_3$的各种晶型进行的非接触式时间分辨光电导测量的结果，即，MAPbCl $_3$、MAPbBr $_3$和MAPbI $_3$。这种方法是通过使用一个高品质因数（Q）的微波谐振器，它与市售的微波桥配备了自动频率控制（AFC）和氦气流低温恒温器合作。
2022-08-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
More is Different: Mobile Ions Improve the Design Tolerances of Perovskite Solar Cells
本文揭示钙钛矿太阳能电池中移动离子的静电重新分布可降低表面复合电流，从而提升光电压并增强对界面能量偏移的容差，进而修正传统光伏设计原则。
2024-07-05 cond-mat.mtrl-sci
The Bright Side and the Dark Side of Hybrid Organic Inorganic Perovskites
先前开发的双金属两性天然缺陷（BAND）模型用于全面解释独特的电物理性质，并用于理解钙钛矿作为光伏材料的卓越性能。结果表明，在供体（受体）配置的两性缺陷捕获一小部分的光激发电子（空穴），将它们分成两组：高能量的明亮和低能量的暗电子（空穴）。暗电子和暗空穴的空间分离以及亮和暗载流子的k空间分离降低了电子空穴复合率，从而模拟了具有电子和空穴的平衡的、空间分离的传输的理想光伏材料的性质。BAND模型还提供了一个简单的解释，多晶钙钛矿薄膜的光伏性能对结构和光学不均匀性的异常不敏感。明亮的电子和空穴的蓝移的辐射复合的结果在一个大的反斯托克斯效应，提供了一个定量的解释的光谱依赖性的激光冷却效果在钙钛矿片测量。
2020-10-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Upper limit to the photovoltaic efficiency of imperfect crystals
Shockley-Queisser（SQ）极限基于光吸收层的带隙提供了用于预测太阳能电池的光电转换效率的便利度量。事实上，很少有材料接近这个辐射极限。我们开发了一种形式主义和计算方法来预测最大的光伏效率的不完美的晶体从第一性原理。我们的计划包括平衡人口的原生缺陷，载流子捕获系数，以及相关的重组率。当应用于锌黄锡矿太阳能电池时，我们揭示了$\mathrm{Cu_2ZnSnSe_4}$的固有极限为20%，远低于SQ极限32%。原子取代和非本征掺杂的影响进行了研究，导致31%的效率提高的途径。这种方法可以应用于支持未来太阳能技术的目标材料选择。
2020-01-29 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Additive engineering for Sb$_2$S$_3$ indoor photovoltaics with efficiency exceeding 17%
本文通过在前驱体溶液中添加单乙醇胺（MEA）调控Sb$_2$S$_3$薄膜成核与生长，制备高质量吸收层，将Sb$_2$S$_3$室内光伏效率提升至17.55%，并展示了其用于物联网无线传感器供电的可行性。
2024-06-10 cond-mat.mtrl-sci
Electron beam induced current in the high injection regime
电子束感应电流（EBIC）是一种测量光子晶体电荷收集效率的有效方法，具有亚微米空间分辨率。激发电子束导致高的电子-空穴对产生率密度，这可能会驱动系统进入非线性区域。提出了一个分析模型，它描述了EBIC响应时的{ \it总}电子空穴对产生率超过载流子被提取的光电池的速率，电荷积累和筛选发生。该模型提供了一个简单的估计的发病高注入制度的材料电阻率和厚度，并提供了一个简单的方法来预测EBIC线型在高注入制度。该模型进行了验证，通过比较其预测数值模拟在1和2维。实验数据的特征，如最大收集效率的大小和位置与电子束流的关系，与三维模型一致。
2014-10-16 cond-mat.mtrl-sci
Insights from Device Modeling of Perovskite Solar Cells
从这个角度来看，我们探讨了从这些设备的建模和模拟中获得的钙钛矿太阳能电池的设备物理的见解。我们讨论了一系列影响钙钛矿太阳能电池建模的因素，包括离子的作用，介电常数，态密度和复合损耗的空间分布。通过关注钙钛矿光伏器件中非理想能量对准的影响，我们证明了低复合钙钛矿材料的独特功能-形成界面，主要是电子，自感偶极子，导致显着增加内置电位和器件开路电压。最后，我们讨论了未来的方向，设备建模在钙钛矿photoprophics领域，描述了一些悬而未决的问题，其中设备模拟可以作为一个特别强大的工具，在该领域的未来发展。
2020-07-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Electron beam irradiation-induced transport and recombination in p-type Gallium Oxide grown on (001) \b{eta}-Ga2O3 substrate
本研究通过EBIC和CL技术，探究了p型Ga2O3薄膜中电子扩散长度随温度和电子束激发的变化，揭示了非平衡电子被受主相关点缺陷捕获导致扩散长度延长和CL强度衰减的机制，并获得了相关激活能。
2025-06-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
First-principles analysis of the efficiency of photovoltaic layers for CuAu-like chalcogenides and silicon
黄铜矿半导体作为薄膜光电池中的吸收层的应用是相当感兴趣的。然而，当生长这些化合物的膜时，它们经常被发现含有CuAu样域，黄铜矿的亚稳相。据报道，对于CuInS 2，CuAu样相的存在改善了黄铜矿基光电池的短路电流。我们调查的热力学稳定性的两个阶段的选定清单的I-III-VI 2材料使用第一性原理密度泛函理论的方法。对于CuIn-VI 2化合物，黄铜矿和CuAu-样相之间的形成能的差异被发现接近2毫电子伏/原子，表明存在CuAu-样域的可能性很高。接下来，我们计算了CuAu类相的光谱极限最大效率（SLME），并将结果与相应的黄铜矿相的结果进行了比较。我们确定了几个候选人具有高效率，如CuAu类CuInS 2，我们获得了29%的SLME在500 nm的厚度。我们观察到，SLME可以有以上的肖克利-奎瑟（SQ）限制的值，并表明，这可能会发生，因为SQ限制假设的吸收率是一个阶梯函数，从而高估了辐射复合的细致平衡的方法。这意味着，在此框架内，可以简单地通过利用吸收光谱计算J-V特性来找到更高的理论效率。最后，我们通过研究硅将我们的SLME分析扩展到间接带隙吸收体，并发现SLME很快高估了间接带隙材料的反向饱和电流，大大降低了它们的计算效率。
2016-06-27 cond-mat.mtrl-sci
Cross-sectional profile of photocarrier mobility in thin film solar cell via nongeminate recombination and charge extraction by linearly increasing voltage (cs-p-CELIV)
本文提出cs-p-CELIV方法，将p-CELIV与扫描共聚焦光学显微镜结合，通过焦平面处增强的非孪生复合沿z轴扫描，实现对薄膜太阳能电池横截面载流子迁移率分布的空间分辨测量，并在a-Si:H电池中验证了其与H含量分布及Si-H键模型的一致性。
2024-01-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Optimizing Lead-Free Chalcogenide Perovskites for High-Efficiency Photovoltaics via Alloying Strategies
本研究通过在CaHfS$_{3}$中引入Ti和Se的靶向取代，结合前沿计算技术，显著改善了无铅硫族钙钛矿的光电性能，使富Ti硒基钙钛矿效率达28.06%，超越传统铅基卤化物钙钛矿。
2025-02-20 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Imbalanced Charge Transport on the Interplay of Surface and Bulk Recombination in Organic Solar Cells
表面复合对有机光致发光材料的开路电压（$V_\text{oc}$）具有重要影响。在这里，我们研究这种损失机制是如何影响的光活性层中的电荷传输不平衡。作为一个模型系统，我们使用的有机太阳能电池的两个数量级高的电子比空穴迁移率。我们发现阳极功函数的微小变化对$V_\text{oc}$的光强度依赖性有很强的影响。瞬态测量和漂移扩散模拟表明，这是由于在表面复合，而不是体复合的变化。我们使用我们的数值模型来概括这些发现，并确定在何种情况下的接触的效果是强或弱的理想情况下的平衡电荷传输。最后，我们推导出解析表达式的$V_\text{oc}$的情况下，堆积的空间电荷是由于高度不平衡的迁移率。
2019-05-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Dynamics of Photoinduced Charge Carriers in Metal-Halide Perovskites
本研究通过TRMCD测量与分析，揭示CsPbBr_3中陷阱捕获主导导致超长载流子寿命，并探讨其在光伏限制及多种替代应用中的潜力。
2024-11-05 cond-mat.mtrl-sci
High Open-Circuit Voltages in Lead-Halide Perovskite Solar Cells - Experiment, Theory and Open Questions
卤化铅钙钛矿的最显著的特征之一是它们具有缓慢复合的能力，尽管这些材料大多在室温下从溶液中加工。当在太阳能电池中使用铅卤化物钙钛矿层时，缓慢的复合允许实现高的开路电压。该观点讨论了我们对铅卤钙钛矿中复合和开路电压的理解和实验数据的最新水平。一个特别的重点放在开放的问题，社区必须解决设计未来的光伏和光电子器件的基础上铅卤化物钙钛矿和其他半导体具有类似的性能。
2019-03-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Device Engineering and Performance Optimization of Cu2NiGeS4 Thin-Film Solar Cells with In2S3/MoTe2 Charge-Selective Layers: A Computational Study
Ahsanullah University of Science and Technology（阿赫桑努拉科学与技术大学）
本研究通过SCAPS-1D计算优化了In2S3/MoTe2电荷选择性层的Cu2NiGeS4薄膜太阳能电池，系统调控厚度、掺杂及缺陷等参数，预测效率达28.44%，远超此前报道范围，为高效环保光伏提供设计指南。
2026-09-11 cond-mat.mtrl-sci
Defect-Limited Efficiency of Pnictogen Chalcohalide Solar Cells
Harvard University Center for the Environment（哈佛大学环境中心）；Imperial College London（帝国理工学院）；Ewha Womans University（梨花女子大学）；University of Birmingham（伯明翰大学）
研究揭示了pnictogen chalcohalide太阳能电池中缺陷化学是效率限制的关键因素，提出通过富chalcogen合成条件和靶向阴离子取代来缓解有害空位。
2025-12-01 cond-mat.mtrl-sci
Impact of metastable defect structures on carrier recombination in solar cells
太阳能电池的效率通常受限于由光伏（PV）半导体的带隙内的缺陷态介导的电子-空穴复合。Shockley-Read-Hall（SRH）模型考虑了一个可以连续捕获电子和空穴的静态陷阱。然而，在现实中，真正的陷阱能级随缺陷电荷状态和局部结构而变化。在这里，我们考虑的亚稳态结构配置捕获电子和空穴的作用，碲间隙作为一个说明性的例子。考虑到缺陷动力学，和破环，改变了定性行为，并激活了新的载体捕获途径。我们的研究结果揭示了亚稳态缺陷结构在非辐射复合中的潜在重要性，特别是对于具有非谐/离子-共价键合、多元组合物、低晶体对称性或高流动性缺陷的半导体。
2022-02-25 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Exciton dissociation in organic solar cells: An embedded charge transfer state model
本文提出内嵌电荷转移态模型，研究有机太阳能电池给体-受体界面的激子解离，揭示复合类型、界面势和电子初始能量对量子效率及热/冷电荷转移态的影响，为优化光伏界面提供理论指导。
2024-11-09 cond-mat.mtrl-sci
Electron and proton irradiation effect on the minority carrier lifetime in SiC passivated p-doped Ge wafers for space photovoltaics
本文报道了电子和质子辐照对p型Ge晶片有效少数载流子寿命（$τ_{eff}$）的影响。使用微波检测光电导衰减（$μ$ W-PCD）方法评估少数载流子寿命。我们研究的依赖性$τ_{eff}$的p型掺杂水平和电子和质子的辐射通量在1兆电子伏。测量辐照前后的$τ_{eff}$用于估计少数载流子扩散长度，这是太阳能电池操作的重要参数。我们观察到$τ_{eff}$的范围从50到230 $μ$的Ge掺杂水平之间的1 E17和1 E16 at.cm $^{-3}$，对应于500-1400 $μ$ m的扩散长度。通过对不同厚度的Ge寿命样品进行辐照，分离了$τ_{eff}$在Ge体寿命和表面复合速度方面的差异。在文献的基础上讨论了可能的辐射诱导缺陷。
2020-05-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
