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
Wavelength-Dependent Photoluminescence Mapping of Depth-Dependent Degradation Under Thermal Stress in Phenethylammonium Tetrafluoroborate Treated Perovskite Solar Cells
University of Washington（华盛顿大学）
本研究利用多波长激发光致发光无损区分钙钛矿太阳能电池中界面与体相复合损失，发现PEABF4处理钝化ETL界面但加速热老化降解，为老化研究提供深度敏感分析框架。
2026-10-06 cond-mat.mtrl-sci
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
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
Role of Polaron Pair Diffusion and Surface Losses in Organic Semiconductor Devices
通过应用蒙特卡罗模拟，我们发现在电极上的束缚极化子对（PP）的提取是限制有机光电和光伏器件效率的重要损耗因子。基于这一发现，我们开发了一个统一的分析模型，包括精确的Onsager理论，描述PP在有机供体-受体异质结中的解离，Sokel-Hughes模型用于在电极处提取自由极化子，以及PP扩散导致上述损耗机制，这是以前没有考虑过的。我们的方法允许在宏观尺度上描述模拟细节，并获得基本的见解，这是重要的，鉴于开发一个优化的光伏器件配置。
2010-11-29 cond-mat.mtrl-sci
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
Tuning photovoltaic response in Bi2FeCrO6 films by ferroelectric poling
铁电材料是未来光伏应用的有趣候选者，因为它们有可能克服传统的单带隙半导体太阳能电池的基本限制。虽然更有效的电荷分离和带隙以上的光电压在这些材料中是有利的，但使用铁电功能来定制它们的光伏响应仍然令人困惑。在这里，我们解决这个问题，报告一个明确的滞后特性的光伏效应作为一个功能的电场和它的依赖于极化的历史。此外，我们获得洞察光致非平衡载流子动力学Bi2FeCrO6薄膜不仅涉及电荷产生，但也复合过程。在铁电剩磁，光是能够电determination的薄膜与resistance和瞬态效应所证明的电气和piezoresponse力显微镜（PFM）的测量。光伏响应的滞后性质及其在较大光强度下的非线性特性可用于优化未来铁电基太阳能电池的光伏性能。
2018-08-17 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
Acousto-drag photovoltaic effect by piezoelectric integration of two-dimensional semiconductors
研究利用表面声波在层状半导体MoSe2中产生零偏置光电流，通过压电集成实现声拖拽光伏效应，分离产生与提取过程以抑制复合，提供了一种不依赖晶体对称性的高效光电转换方法。
2024-08-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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
Slow diffusion and long lifetime in metal halide perovskites for photovoltaics
金属卤化物钙钛矿具有优异的吸收、发射和载流子传输性能。因此，这些材料非常适合于人们越来越感兴趣的光化学应用。尽管如此，问题出现时，在不寻常的长载流子寿命，关于微米扩散长度，将意味着一个非常低的扩散系数相比，常用的光伏吸收剂。在本文中，我们提供了一个实验洞察到这种长寿命的载流子在慢动作。我们的方法依赖于一个改进的模型来分析时间分辨的光致发光衰减在多个注量水平，包括载流子运输，光子回收和陷阱动态。在不同的界面特性上对模型进行了验证。此外，我们研究了各种钙钛矿吸收剂，如具有铯含量的混合合金。对于我们分析的大多数基于钙钛矿的材料，带-带复合率保持接近辐射极限，导致预期的亚微秒寿命。观察到载流子的缓慢扩散，扩散系数D值约为5 × 10 -3 cm 2/s。尽管如此，功率转换效率仍然很高。观察结果可能与有争议的直接和间接带隙共存减慢复合过程有关。
2018-07-10 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
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
Impact of nanostructure configuration on the photovoltaic performance of quantum dot arrays
在这项工作中，一个介观模型的基础上的非平衡格林函数形式主义的紧束缚的有效哈密顿量被用来研究一个选择性接触的量子点阵列设计的操作作为一个单结量子点太阳能电池。通过建立纳米结构的配置和光电性能之间的直接关系，调查揭示了点间和点接触耦合强度的影响，电荷载流子的光生，辐射复合，并提取在接触的速率，从而对最终的性能与有限的量子点阵列作为活性介质的光伏器件。对于长的载流子寿命，主要的配置效果起源于在带宽和有效带隙方面的点间耦合的联合态密度的依赖性。在低载流子寿命制度，其中复合与载流子提取竞争，提取效率显示出关键的依赖点接触耦合。
2015-08-10 cond-mat.mes-hall 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
Intrinsic Carrier Losses in Tellurium Due to Radiative and Auger Recombinations
完全微观多体模型的基础上输入的第一性原理密度泛函理论被用来计算由于辐射和俄歇重组散装碲的载流子损耗。它示出，俄歇过程占主导地位的损失的载流子密度的范围内的典型的激光器的应用。俄歇损耗主要取决于$H_6$价带的能量位置。在50 $\,$ K（100 $\,$ K）的低温下，俄歇系数$C$在这些带和价带边缘之间的公开距离范围内变化约六（三）个数量级。如果距离小于或大于带隙，则分别找到这些范围的高端和低端处的$C$的值。在室温下，灵敏度降低到大约四倍，$C$值在$0.4$和$1.6\times 10^{-27}$ cm $^6$ s $^{-1}$之间。这里，辐射损耗对于高达约$10^{16}/$ cm $^3$的载流子密度占主导地位，损耗系数为$B\approx 10^{-11}$ cm $^3$ s $^{-1}$。辐射损失比典型的块状III-V材料低大约两到三倍。
2022-08-10 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Understanding and Minimizing $V_{OC}$ Losses in All-Perovskite Tandem Photovoltaics
全钙钛矿叠层太阳能电池以低成本保证高光伏性能。然而，到目前为止，它们的效率无法与传统的无机多结太阳能电池竞争，并且与隔离单结器件的预期相比，它们通常表现不佳。了解全钙钛矿串联太阳能电池的性能损失是加速进步的一个关键方面。在这里，我们进行了广泛的选择性表征的各个子细胞解开这些串联设备中的不同损耗和限制因素。我们发现，在我们的基线系统中，以及在大多数文献报道中，在高间隙子电池的非辐射损失占主导地位的整体复合损失。我们通过多方面的方法连续改进高能隙钙钛矿子电池，使我们能够将子电池的开路电压（$V_{OC}$）提高高达120 mV。由于我们首次在全钙钛矿串联中采用的（准）无损氧化铟互连，在高带隙钙钛矿中实现的$V_{OC}$改进直接转化为改进的全钙钛矿串联太阳能电池，其具有2.00 V的冠军$V_{OC}$和23.7%的稳定效率。当分别从电致发光和光致发光确定时，我们优化的全钙钛矿串联的效率潜力达到25.2%和27.0%，这表明实验装置中钙钛矿和传输层之间存在显著的传输损耗以及不完美的能量对准。考虑到在隔离的钙钛矿层上使用光致发光测量的两种吸收剂的整体质量，进一步改进到28.4%是可能的。因此，我们的见解不仅显示了一个优化的例子，但一个可推广的基于证据的策略，利用光学子细胞表征优化。
2022-07-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-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
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
Transport resistance dominates the fill factor losses in record organic solar cells
本文指出传输电阻导致的低填充因子是高效有机太阳能电池的核心瓶颈，详细阐述了其成因、材料特性、实验量化方法及未来最小化电荷收集损失的策略。
2024-12-18 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
Photovoltaic Performance of a Rotationally Faulted Multilayer Graphene/n-Si Schottky Junction
本研究制备了旋转断层多层石墨烯/n型硅肖特基结器件，通过低成本无聚合物转移工艺实现，其光伏性能可与单层石墨烯器件相当，展现出光电子应用潜力。
2025-10-03 cond-mat.mtrl-sci
The Effect of Hybrid Photovoltaic Thermal Device Operating Conditions on Intrinsic Layer Thickness Optimization of Hydrogenated Amorphous Silicon Solar Cells
从历史上看，混合太阳能光伏热（PVT）系统的设计集中在冷却晶体硅（c-Si）基光伏（PV）设备，以避免温度相关的损失。这种方法忽略了热力系统中的相关性能损失，并导致系统的总有效能降低。因此，本文探讨了使用氢化非晶硅（a-Si：H）作为PVT的吸收材料，以保持更高和更有利的操作温度的热系统。非晶硅不仅具有比c-Si更小的温度系数，而且可以通过退火去除来自Staebler-Wronski效应的缺陷状态而在更高温度的延长时间段内显示出改善的PV性能。为了确定a-Si：H PV性能的潜在改进与通过更高的操作温度使得i层的厚度增加相关，在25 ° C（STC）、50 ° C（代表性PV操作条件）和90 ° C（代表性PVT操作条件）的温度下在1个太阳照度（AM 1.5）下测试a-Si：H PV电池。在每个温度下评估i层厚度为420、630和840 nm的PV电池。结果表明，在90 oC下操作a-Si：H基PV，i层比目前商业生产中使用的电池厚，与在PV或PVT操作温度下操作的较薄电池相比，提供了更大的功率输出。这些结果表明，在PVT系统中引入a-Si：H作为吸收材料可以改善热性能，同时改善a-Si：H基PV的电性能。
2012-08-08 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
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
Mutual Photoluminescence Quenching and Photovoltaic Effect in Large-Area Single-Layer MoS2-Polymer Heterojunctions
二维过渡金属二硫属化合物（TMDCs）由于其优异的光学和电学性质而引起人们的广泛关注。特别是，它们非凡的光学吸收和半导体带隙已经能够证明由TMDC和其他有机或无机材料组成的异质结构的光伏响应。然而，这些早期的研究仅限于微米级的器件和/或未能利用单层TMDC的独特光吸收特性。在这里，我们提出了一个实验实现的大面积II型光伏异质结使用单层二硫化钼（MoS 2）作为主要的吸收剂，通过耦合到有机π-供体聚合物PTB 7。该TMDC-聚合物异质结表现出作为聚合物层的厚度的函数可调谐的光致发光强度，最终使得能够完全猝灭TMDC光致发光。TMDC-聚合物异质结中的强光学吸收对于小于20 nm的总电池厚度产生超过40%的内部量子效率，从而与其他有机和无机太阳能电池相比，导致每吸收厚度的异常电流密度。此外，这项工作提供了新的洞察II型TMDC-聚合物异质结的复合过程，从而提供了定量指导正在进行的努力，以实现高效的TMDC为基础的太阳能电池。
2016-11-30 cond-mat.mtrl-sci
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
Theory and simulation of quantum photovoltaic devices based on the non-equilibrium Green's function formalism
本文综述了非平衡格林函数在模拟低维吸收体结构中量子限制效应的新型光伏器件中的应用。它涵盖了众所周知的方面的基本NEGF理论的相互作用的电子，光子和声子与相关的光电子器件的模拟系统，并介绍了在同一时间的理论描述的基本过程的光伏器件的操作，如通过相干激子吸收，声子介导的间接光学跃迁或非辐射复合通过缺陷态的光生。虽然理论框架的描述尽可能一般，两个具体的原型量子光伏器件，一个单量子阱光电二极管和硅氧化物基超晶格吸收体，用于说明的那种独特的见解，基于理论的数值模拟能够提供。
2012-06-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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
Transport resistance strikes back: unveiling its impact on fill factor losses in organic solar cells
该研究扩展有机太阳能电池输运电阻解析模型，结合实验数据区分复合与输运导致的FF损失，为高效电池设计和优化提供指导。
2024-10-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Theory of Bulk Recombination in a Medium with Energetic Disorder under Continuous Irradiation with Excitation Light
利用多重俘获（MT）模型研究了激发光连续照射下含能无序介质中的体复合。电荷密度服从幂律，其指数与MT模型的色散参数$α$有关。应用该理论分析了光致电子自旋共振（LESR）测量的体异质结光电池中的电荷密度。该指数值与脉冲激发后电荷密度的瞬态衰减结果一致，表明该指数值对浅陷阱态引起的高斯陷阱能分布的增加具有鲁棒性.我们还表明，开路电压（$V_{\rm OC}$）线性依赖于光强度的对数和斜率等于$k_B T/e$时，只有浅陷阱状态。由于深陷阱态，在存在指数陷阱能分布的情况下，斜率大于$k_B T/e$的情况下，相同的线性关系成立。
2013-03-07 cond-mat.mtrl-sci
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
Recombination and localization: unfolding the pathways behind conductivity losses in Cs2AgBiBr6 thin films
Cs2AgBiBr6（CABB）已被提出作为铅卤化物钙钛矿的有前途的无毒替代物。然而，低的载流子收集效率仍然是将这种材料结合到光电应用中的障碍。本文利用稳态和瞬态吸收反射光谱研究了CABB薄膜的光电特性。我们发现，这种薄膜上的光学测量是扭曲的膜内的多次反射的结果。此外，我们还结合微秒瞬态吸收和时间分辨微波电导率谱讨论了这些薄膜电导率损失背后的途径。我们表明，在CABB薄膜的电导率损失的载流子损耗和本地化的综合效果的结果。此外，我们还发现载流子扩散长度与样品厚度具有相同的数量级。这表明材料表面是载流子损失的重要贡献者。
2021-07-05 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Encounter-Limited Charge Carrier Recombination in Phase Separated Organic Semiconductor Blends
采用动力学蒙特卡罗（KMC）模拟方法研究了有机半导体共混物中相分离对载流子限幅载流子复合的影响。使用模型体异质结的形态，对域的大小和载流子迁移率的复合率的依赖进行了量化。统一的竞争模型和模拟结果，我们表明，迁移率的复合率的依赖性可以描述使用的功率平均值的电子和空穴迁移率与域尺寸依赖的指数。此外，对于典型的有机光伏器件的域尺寸，我们发现相分离降低复合率小于一个数量级相比，朗之万模型和迁移率的依赖性可以近似的几何平均值。
2015-03-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Lead-free Magnetic Double Perovskites for Photovoltaic and Photocatalysis Applications
本文研究了一系列无铅磁性双钙钛矿Cs_{2}AgTX_{6}的磁光电性质，发现其在光伏和自旋电子学应用中具有潜力，磁光相互作用可引发反常光伏效应。
2023-10-23 cond-mat.mtrl-sci
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
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
Distinguishing Carrier Transport and Interfacial Recombination at Perovskite-Transport Layer Interfaces Using Ultrafast Spectroscopy and Numerical Simulation
本文利用超快太赫兹光谱、光学测量和数值模拟，研究钙钛矿与C60、PCBM、Spiro-OMeTAD三种传输层界面的载流子提取与复合，确定了提取速度和双极扩散系数，并据此提出改进器件性能的明确方向。
2024-07-24 cond-mat.mtrl-sci
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
Rashba Spin-Orbit Coupling Enhanced Carrier Lifetime in Organometal Halide Perovskites
有机金属卤化物钙钛矿是下一代光伏应用的有前途的太阳能电池材料。这些材料的长载流子寿命和扩散长度使得它们对于用于光吸收器和载流子传输器非常有吸引力。虽然有机金属卤化物钙钛矿的这些方面吸引了最多的关注，但由强自旋轨道耦合驱动的Rashba效应对这些材料的光伏特性的影响在很大程度上尚未探索。在这项工作中，以甲基铵碘化铅的电子结构为例，我们提出了一个内在的机制，提高载流子寿命的三维Rashba材料。基于第一性原理计算和Rashba自旋轨道模型，我们证明了自旋禁戒跃迁降低了复合速率。这些结果对于理解有机金属卤化物钙钛矿的基本物理性质以及优化和设计具有更好性能的材料具有重要意义。所提出的机制，包括自旋自由度提供了一个新的范例，使用三维Rashba材料的光伏应用。
2015-05-15 cond-mat.mtrl-sci
