Magnetic fields: a tool for the study of organic solar cells
聚合物器件中的电荷转移是光电流产生的一个关键阶段，尽管这一阶段很难达到。在这篇文章中，我们提出研究的性质和行为的有机太阳能电池通过修改光电流产生时，外部磁场施加。通过允许我们的理论模型的参数不被限制到任何特定的材料，我们能够表明，不仅适度的外部磁场导致光电流强度的显着增加，但也如何这样的磁场可以用来详细研究的能级和跃迁速率内的聚合物化合物。因此，系统地探索有机复合材料的关键特性可以导致高度优化的设备，其中磁场可以提高聚合物太阳能电池的效率。
2018-09-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Matching the photocurrent of perovskite/organic tandem solar modules by varying the cell width
本文首次在实验层面通过调节钙钛矿和有机子组件的电池宽度实现叠层组件光电流匹配，获得14.94%的冠军效率，为耦合非互补半导体器件提供了新途径。
2023-09-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Thermal annealing effects on Graphene/n-Si Schottky junction Solar cell: Removal of PMMA residues
本文通过J-V特性及瞬态光电测量研究热退火提升石墨烯/n-Si肖特基结太阳能电池性能的机制，证明其可去除PMMA残留、抑制光电流泄漏并增强稳定性。
2022-09-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Change in Tetracene Polymorphism Facilitates Triplet Transfer in Singlet Fission-Sensitized Silicon Solar Cells
并四苯的单重态裂变产生两个三重态激子每吸收光子。如果这些三重态激子可以有效地转移到硅（Si）中，则可以从Si的带隙以上的光子产生额外的光电流。这可以减轻热化损失并提高传统Si太阳能电池的效率。在这里，我们表明，由于空气暴露在Si上沉积的并四苯的多晶型的变化，有利于三重态转移从并四苯到Si。依赖于磁场的光电流测量证实三重态激子有助于光电流。并四苯延迟光致发光的衰减用于确定215 ns的三重态转移时间和~ 50%的三重态转移到Si中的最大产率。我们的研究表明，在沉积过程中控制并四苯的形态将是非常重要的，以进一步提高三重态转移产率。
2020-07-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Impact of a doping-induced space-charge region on the collection of photo-generated charge carriers in thin-film solar cells based on low-mobility semiconductors
活性层的无意掺杂是有机太阳能电池中降低器件性能的来源。掺杂的效果是在有源层内诱导空间电荷区，通常导致增加的复合损耗。在这项工作中，掺杂诱导的空间电荷区的低迁移率太阳能电池器件的电流-电压特性的影响已被澄清的分析推导和数值模拟装置。研究发现，在掺杂有源层的情况下，光生载流子的收集效率与光强无关，并表现出明显的电压依赖性，导致光电流具有明显的电场依赖性。此外，推导出了描述光电流行为的解析表达式。数值漂移扩散模拟验证了分析模型的有效性，并在溶液处理的有机太阳能电池上进行了实验验证。在理论分析的基础上，讨论了克服掺杂引起的电荷收集损失的条件。此外，所提出的分析框架提供了工具，以区分不同的机制，导致电压依赖的光电流。
2019-09-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Revealing Fundamentals of Charge Extraction in Photovoltaic Devices Through Potentiostatic Photoluminescence Imaging
光电流密度-电压（J（V））曲线是评价光电器件特别是太阳能电池的基本特性。然而，它只产生关于在整个有源器件区域上集成的性能的信息。在这里，一种方法来确定一个空间分辨的光电流图像的电压依赖性光致发光显微镜是从基本原理。通过对III-V族和钙钛矿太阳能电池的研究，研究了这种方法的机会和局限性。这种方法允许实时评估显微镜下分辨的局部J（V）曲线、稳态Jsc以及瞬态效应。此外，测量包含局部电荷提取和界面复合的信息。这有助于识别太阳能电池中的非理想电荷提取区域，并能够将这些区域与处理条件联系起来。所提出的技术强调，结合恒电位测量，发光显微镜原来是一个强大的工具，用于评估性能损失和改善太阳能电池。
2021-10-18 physics.app-ph
Carrier Multiplication via Photocurrent Measurements in Dual-Gated MoTe_2
虽然范德华层状过渡金属二硫属化物从瞬态吸收光谱已经成功地证明了一个理想的载流子倍增（CM）的性能与近2 Eg的开始，解释CM效应从光学方法仍然没有解决，由于多体电子空穴对的复杂性。通过在透明衬底上制备双栅pn结的MoTe 2薄膜，我们通过简单的光电流测量证明了CM效应。通过消除金属接触中的肖特基势垒和最小化多次反射，有效地提取了电子和空穴。光电流的增加与激发能成正比。提高的量子效率证实了> 2 Eg的多电子-空穴对产生，与来自光学方法的CM结果一致，将太阳能电池效率推到Shockley-Queisser极限之外。
2020-10-27 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
An analysis of carrier dynamics in methylammonium lead triiodide perovskite solar cells using cross-correlation noise spectroscopy
利用互相关电流噪声谱，我们研究了甲基铵三碘化铅太阳电池中的载流子动力学。该方法为具有平面多层结构的器件提供了空间选择性，有效地放大了来自堆叠的最具电阻性的元件的电流噪声贡献。在所研究的太阳能电池中，我们观察到接近全尺寸的散粒噪声，表明由单一源产生的噪声占主导地位，可能是钙钛矿和螺-OMeO 2空穴传输层之间的界面。我们认为，强1/f噪声项有贡献的钙钛矿层和界面。它显示出对光电流$S \propto I^{1.4}$（而不是通常的$S \propto I^2$）的非理想依赖性，这可能是由于电流诱导的卤化物迁移。最后，我们观察到产生-复合噪声。该过程的弛豫时间随光电流线性增长，这允许将该贡献归因于钙钛矿体吸收层中的双分子复合。外推我们的结果，我们估计，在标准的1太阳照明的电子-空穴复合时间为5微秒。
2020-03-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Electrical Signatures of Corrosion and Solder Bond Failure in c-Si Solar Cells and Modules
水分和温度激活的金属指腐蚀，机械应力引起的分层，以及焊料键合的失败是太阳能电池组件的主要失效机制。水分进入，扩散和反应的物理已被详细探讨，但具体的前表面网格几何结构上的腐蚀和分层的电气影响还没有完全理解。在本文中，我们表明，由于腐蚀，分层，和焊料接合故障（CDS）的模块效率损失涉及一个复杂的相互作用的电压/电流重新分配，反映在光电流的损失，以及减少/增加分流/串联电阻。我们的工作将重新定义由于退化机制而导致的实验J-V特性特征的解释，将各种分散和反直觉的实验结果整合到一个共同的理论框架中，并为太阳能组件的抗CDS网格设计提供信息。
2018-08-16 physics.app-ph
Improvement in the Performance and Efficiency on Self-Deficient CaTiO$_3$: Towards Sustainable and Affordable New-Generation Solar Cells
纯的和自缺陷的钛酸钙的薄膜，即，采用浸涂法在ITO衬底上制备了CaTiO $_3$、Ca $_{1-α}$ TiO $_3$、CaTi $_{1-β}$ O $_3$和CaTiO $_{3-γ}$。X射线衍射和扫描电子显微镜（SEM）分析证实了所有沉积的薄膜的结构和形貌。已经进行了光电流测量，并且观察到在UV光入射到所制备的器件上期间（即，在“ON”状态下），在O不足的CaTiO $_3$的情况下观察到零电压下光电流（IUV）的显著增加，而在Ti和Ca不足的薄膜的情况下观察到较小的光电流值。所有自缺陷的CaTiO 3的沉积薄膜的响应度和探测率被发现是最大的在紫外区域，而他们也表现出较小的贡献，在可见光范围内可能是由于存在的自缺陷。自缺陷样品在低电压下表现出比纯样品更低的电阻（更高的复合率），但是在更高电压下，其几乎相同。此外，理论计算已经进行了使用第一性原理密度泛函理论，以验证自缺陷的CaTiO $_3$的实验结果。入射光子电流效率（IPCE）和电流密度也已被测量为所有缺陷的CaTiO $_3$样品。对于Ti和O不足的样品，在UV范围（280- 400 nm）内，已发现最大IPCE在25%-28%的范围内。我们认为，第一性原理DFT计算结合自缺陷的CaTiO $_3$薄膜的实验测量提供了一种可靠的方法来提高钙钛矿型太阳能器件的性能。
2023-02-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Engineering the reciprocal space for ultrathin GaAs solar cells
III-V太阳能电池在高效率图表中占主导地位，但成本明显高于其他太阳能电池。超薄III-V太阳能电池可以表现出较低的生产成本和对由辐射损伤、位错或原生缺陷引起的短载流子扩散长度的免疫力。然而，解决亚微米层的不完全光学吸收对光捕获结构提出了挑战。简单的光子晶体具有高衍射效率，这对于窄带应用是极好的。随机结构具有宽带响应，但衍射效率低。准随机（超均匀）结构介于两者之间，在目标波长范围上提供高衍射效率，比简单的光子晶体宽，但比随机结构窄。在这项工作中，我们提出了一种设计方法，演变成一个简单的光子晶体的准随机结构，通过修改的空间傅立叶空间以受控的方式。我们将这些结构应用于仅100 nm的GaAs太阳能电池。我们预测测试的准随机结构的光电流为25.3 mA/cm $^2$，而平面结构将被限制为16.1 mA/cm $^2$。准随机结构中的修改后的空间傅立叶空间增加了共振的量，从离散数量的峰到连续吸收的进展。由于这种连续性，光电流的增强在角度变化下是稳定的。我们还探讨了鲁棒性对真实空间分布的准随机结构的变化，使用不同的数值种子，模拟变化的自组装方法。
2021-02-11 physics.app-ph physics.optics
Solar Thermoradiative-Photovoltaic Energy Conversion
我们提出一个太阳能热能转换系统，包括一个太阳能吸收器，热辐射电池或负照明光电二极管，和一个光电池。因为它是一个热机，这个系统也可以与热存储配对，以提供可靠的发电。来自太阳能吸收器的热量驱动热辐射电池中的辐射复合电流，并且其发射的光被光电池吸收以提供附加的光电流。基于细致平衡的原则，我们计算出的极限太阳能转换效率为85%的完全集中的太阳光和45%的一个太阳吸收器和单结电池的面积相等。理想和非理想的太阳能热辐射光伏系统优于太阳能热光伏转换器的低带隙和实际的吸收器温度。它们的性能增强来自于对非辐射产生/复合的高耐受性和最小化辐射热损失的能力。我们表明，一个现实的设备与所有主要的损失可以实现太阳能转换效率的增加高达7.9%（绝对）相比，太阳能热光伏设备在低光集中。我们的研究结果表明，这些转换器可以作为有效的热机的低成本单轴跟踪系统。
2020-09-01 physics.app-ph
Device physics of van der Waals heterojunction solar cells
基于原子级薄半导体的异质结构被认为是在柔性衬底上实现超轻和超轻光伏太阳能电池的有前途的新兴技术。近年来，在技术层面上取得了很大进展，但仍然难以清楚地了解控制光伏响应的物理过程。在这里，我们提出了一个设备模型，能够完全再现II型范德华异质结的光照射下的电流-电压特性，包括一些特殊的行为，如极高的理想因子或偏置依赖的光电流。虽然我们发现跨结的空间电荷转移是非常有效的，我们也发现了相当大的积累的光生载流子在有源器件区域由于电传输性能差，引起显着的载流子复合损失。我们的研究结果是重要的，以优化未来的设备架构，并提高原子薄太阳能电池的功率转换效率。
2019-03-07 physics.app-ph
Generalized Reciprocity Relations in Solar Cells with Voltage-Dependent Carrier Collection: Application to p-i-n Junction Devices
两个互易定理对于太阳能电池操作的基本理解和器件评估的应用是重要的：（1）连接暗载流子注入与短路光生载流子收集的载流子传输互易性和（2）连接电致发光与短路时的光伏量子效率的光电互易性。然而，这些定理在诸如p-i-n结太阳能电池的具有厚耗尽区的器件中失效。通过适当的线性化的载流子输运方程在这样的设备中，我们报告说，暗载流子注入有关的光生载流子收集效率在工作电压，而不是在短路的建议，在原来的定理。这导致了连接电致发光与电压依赖的量子效率的光电互易关系的一般形式，提供了p-i-n结器件的光电特性的正确解释。我们还讨论了开路电压和外发光效率之间的关系的有效性。定量研究了光照强度和器件参数对互易定理有效性的影响。
2019-02-19 physics.app-ph
Dipole-field-assisted charge extraction in metal-perovskite-metal back-contact solar cells
杂化有机-无机卤化物钙钛矿是低成本的可溶液加工的太阳能电池材料，其光伏特性可与晶体硅的光伏特性相媲美。钙钛矿膜通常夹在空穴和电子输运材料的薄层之间，其有效地提取光生电荷。这提供了高能量转换效率，但导致显著的性能和制造挑战。在本文中，我们提出了一种简单的无电荷传输层的钙钛矿太阳能电池（PSC），其仅包括具有两个叉指型金背接触的钙钛矿层。电荷提取是通过自组装分子单层（SAM）及其在金属/钙钛矿界面处的相关偶极场来实现的。由SAM改性的PSC产生的约600 mV的光电压相当于由各个偶极层产生的内置电势。有效的电荷提取结果在模拟阳光下的光电流高达12.1 mA/cm 2，尽管一个大的电极间距。
2017-05-27 physics.app-ph
Significant efficiency enhancement in thin film solar cells using laser beam-induced graphene transparent conductive electrodes
薄膜太阳能电池由于其与建筑物和片上应用集成的可能性，几十年来在先进的绿色技术平台中一直具有吸引力。然而，考虑目前的太阳能电池作为主要电源所涉及的瓶颈问题包括较低的效率和成本效益。数值模拟了基于不敏感偏振空间填充分形设计的激光诱导石墨烯材料作为透明导电电极的非晶硅薄膜太阳能电池的吸收增强概念。通过优化分形的厚度、宽度和周期等参数，与传统ITO太阳能电池相比，太阳能电池的光电流产生提高了24.5%。
2018-01-26 physics.app-ph physics.optics
High-sensitive MIS structures with silicon nanocrystals grown via solid-state dewetting of silicon-on-insulator for solar cell and photodetector applications
报道了一种新颖的方法，用于制备金属-绝缘体-半导体（MIS）结构，该结构具有嵌入在绝缘SiO2氧化物中的基于硅纳米晶（SiNCs）的有源层，可用于高性能太阳能电池和光电探测器应用。利用固态源分子束外延（SSMBE）生长的超纯非晶绝缘体上硅（a-SOI）材料，通过原位固态去湿制备了硅纳米晶。通过改变硅的沉积厚度来精确地调节Si NC的尺寸和密度。利用原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）对纳米硅的形貌进行了表征，结果表明纳米硅具有均匀的尺寸和良好的球形，密度可达1012/cm 2（与纳米硅厚度的平方成反比）。高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）的结构研究表明，所制备的超小硅纳米碳（平均直径约7 nm）是单晶的，没有结构缺陷。通过对基于Si-NC的MIS结构的电流对电压（I-V）和光电流光谱进行的电测量证明了Si NC增强MIS结构中的导电性和经由MIS结构中的附加电子-空穴对的光生作用来增加光电流（即，在偏置电压V =-1V时）（X 10倍）的效率。这些结果表明，通过MBE生长和固态去湿相结合获得的硅纳米碳非常适合于开发与CMOS工艺兼容的新型高性能光电子器件。
2023-02-16 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Coloured and Semi-Transparent Nanowire-based Solar Cells for Building Integrated Photovoltaics
半透明光伏（ST-PV）提供智能空间解决方案，将太阳能电池集成到已建成的区域。在这里，我们研究了半导体纳米线（NW）作为有前途的ST-PV的潜力。我们进行FDTD模拟不同的PV材料在广泛的阵列几何形状，从我们计算PV性能旁边的感知外观。令人惊讶的是，我们发现光电流和透射率之间的一个不寻常的妥协，作为NW直径的函数，使NW为基础的PV超越非波长选择性ST-PV的理论极限。我们从理论和实验上证明了NW阵列对不同光照条件的鲁棒性。我们提供了卓越的NW阵列几何结构背后的起源，这对于根据特定需求设计基于NW的ST-PV系统至关重要。
2021-07-20 physics.app-ph physics.optics
Degradation Kinetics of Inverted Perovskite Solar Cells
我们探讨了连续光照和直接氧气暴露下的倒置未封装的甲脒（FA）0.83Cs0.17Pb（I0.8Br0.2）3，CH 3 NH3 PbI 3，和CH 3 NH3 PbI 3-xClx钙钛矿太阳能电池的降解行为。我们不断测试的设备在原位和在operando与电流-电压扫描，瞬态光电流和瞬态光电压测量，并发现在CH 3 NH3 PbI 3-xClx太阳能电池由于氧暴露的退化发生在较短的时间尺度比FA0.83Cs0.17Pb（I0.8Br0.2）3混合阳离子设备。我们将这些氧诱导的功率转换效率损失归因于钙钛矿光敏层内电子陷阱的形成。我们的研究结果强调，甲脒-铯混合阳离子钙钛矿对氧诱导降解的敏感性比甲基铵基钙钛矿电池低得多，钙钛矿太阳能电池稳定性的进一步改善应侧重于减轻老化过程中陷阱的产生。
2018-01-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Energetics and Kinetics Requirements for Organic Solar Cells to 2 Break the 20% Power Conversion Efficiency Barrier
太阳能电池效率的热力学极限主要由所用半导体的能带隙限定。在有机太阳能电池的情况下，三种不同物质的能量学和动力学都起作用：激子、电荷转移态和电荷分离态。在这项工作中，我们澄清了这些物种的重组和生成动力学的相对能量和动力学的效果。利用细致平衡，我们开发了一个分析框架，描述了不同物种之间的复杂相互作用如何影响有机太阳能电池中的光电流产生，复合和开路电压。此外，我们澄清了激子，CT状态和载流子之间的平衡发生的基本要求。最后，我们发现光伏参数不仅由不同态之间的相对能级决定，而且还由动力学速率常数决定。这些发现为最先进的低偏移非富勒烯有机太阳能电池的操作提供了重要的见解。
2021-07-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Inverted rear-heterojunction GaInP solar cells using Te memory effect
碲允许在GaAs中获得重n型掺杂水平，这适合于在太阳能电池中实现非常低的接触电阻率。此外，它修改了MOVPE生长的GaInP的能带隙，通过减少III族亚晶格的顺序，并提出了一个强大的记忆效应，诱导残留的n型掺杂在随后的层，潜在地不利于太阳能电池的性能。在这项工作中，我们提出了一个倒置的后异质结GaInP太阳能电池，采用了厚的Te掺杂的GaInP层作为吸收剂，与掺杂的配置文件获得专门通过控制的记忆效应的Te来自前面的生长的重掺杂GaAs接触层。以这种方式，GaInP是部分无序的，没有使用额外的表面活性剂，导致太阳能电池的带隙增加约35毫电子伏相比，传统的样品掺杂硅。在迄今为止开发的概念验证实验器件中，使用后异质结配置和带隙增加导致109 mV的全局开路电压增强。光电流降低了1.32 mA/cm 2，主要是由于带隙蓝移，其中约0.35 mA/cm 2归因于较低的载流子收集效率。通过分析掺Te后异质结、掺Si后异质结和掺Si前结太阳电池的I-V曲线参数和量子效率，对这些初步结果进行了讨论。另一个优点是，发射极薄层电阻从551欧姆/平方降低到147欧姆/平方，这通过降低前栅极遮蔽因子提供了更高效率的潜力，如所呈现的聚光器测量所示。
2019-11-26 physics.app-ph
Efficient solar collection beyond the etendue limit
光伏（PV）是利用太阳能的多功能和紧凑的途径。当前PV的一个关键挑战是保持相对于太阳的最佳面板定向角度，以实现有效的能量转换。我们通过实验证明了多元件远心光学透镜的定制阵列，与标准面板相比，其允许在+/-80度之间的太阳入射角处大大增加的开路电压（Voc）。我们的原型透镜显示在+/-80度的光学入射角下，Voc在一整天内增加了132%。这种多元件阵列提供了增加的视场，而不破坏集光率的守恒。我们的原型表明，这种小透镜阵列有可能大规模生产，并很容易安装到任何光伏系统。
2018-11-18 physics.app-ph physics.optics
Pulsatile therapy for perovskite solar cells
目前钙钛矿太阳能电池商业化的最大挑战是确保长期运行稳定性。在这里，我们开发了脉冲治疗，它可以通过解决最大功率点跟踪（MPPT）中间的电荷和离子的积累来延长设备寿命。在该技术中，反向偏压在非常短的时间内重复施加而没有任何操作暂停，从而导致工作装置的稳定。我们的脉冲治疗观察到的疗效是延迟不可逆降解以及恢复MPPT操作过程中降解的光电流。我们提出了一个综合的治疗机制，其中有害的深能级缺陷可以防止形成和已经形成的缺陷可以治愈驱动电荷态跃迁。我们证明了该疗法可以持续保持缺陷耐受性，从而显著提高寿命和收获功率。这项独特的技术将为钙钛矿材料的商业化开辟新的可能性。
2020-07-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Beneficial impact of tunneling in nano-structured intermediate-band solar cell
利用非平衡格林函数理论，研究了纳米结构中带太阳电池中电子的激发和收集。我们证明了纳米物体和宿主材料之间的薄隧道势垒对于电流和电压都是有益的。对于电流，这种薄势垒产生的限制有利于纳米物体中的子带间光耦合，从而改善激发-收集权衡。我们还表明，在纳米物体的状态密度的扩大增加了辐射复合，然后降低电压。使用一个细致平衡模型，我们提出了一个加宽的因素，这降低了Voc退化时，隧道势垒提高了纳米物体的寿命。
2018-02-12 physics.app-ph
Investigation of the Spatially Dependent Charge Collection Probability in CuInS$_2$/ZnO Colloidal Nanocrystal Solar Cells
在胶体CuInS $_2$和ZnO纳米晶体之间具有异质结的太阳能电池是溶液处理光致发光的创新概念，但是转换效率还不能与使用铅硫族化物量子点的设备竞争。本文对CuInS $_2$ /ZnO太阳电池的电荷收集进行了详细的研究。利用倒置的器件结构，其中ZnO作为光学间隔层发挥额外的作用。ZnO厚度的变化被利用来创建不同的电荷生成分布内的光捕获CuInS $_2$层，这强烈影响外部和内部量子效率。借助于一个纯光学模型对这些实验结果进行重建，我们能够得出关于电荷收集概率的空间依赖性的结论。我们提供的证据表明，只有在CuInS $_2$ /ZnO界面附近的约40 nm的狭窄区域内产生的载流子有助于外部光电流。吸收体的剩余部分可以被认为是电荷收集的“死区”，这合理地解释了有限的器件性能，并为未来的研究指明了方向。从方法的角度来看，在本工作中开发的光学建模方法的优点是，没有电输入参数是必需的，被认为是很容易转移到其他材料系统。
2019-05-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Role of EV+0.98 eV trap in light soaking-induced short circuit current instability in CIGS solar cells
Cu（In，Ga）Se 2（CIGS）太阳能电池中的光致不稳定性/退化是一个普遍且迫切需要解决的问题，以提高性能、均匀性和可靠性。在这里，机制有助于光诱导的不稳定性确定集中在观察到的短路电流（JSC）减少。在光浸泡之前和之后的外部量子效率测量确定了CIGS吸收体层中的长波长光子载流子收集效率的降低。使用深能级光学光谱（DLOS），CIGS EV+0.98 eV深能级的浓度与JSC退化的量相关。最后，电容电压（C-V）测量揭示光诱导耗尽深度的大幅度减小和载流子收集的减少，并且都与JSC减少相关。最后，EV+0.53 eV陷阱浓度显示与VOC不稳定性相关，但不与JSC减少相关，这证实了多个陷阱诱导的机制是光诱导的不稳定性的原因。
2018-05-24 physics.app-ph
Open-Circuit Voltage Limitation by Surface Recombination in Perovskite Solar Cells
基本的电子过程，如电荷载流子传输和复合，在决定混合钙钛矿太阳能电池的效率方面起着关键作用。移动离子的存在使这些过程的清晰理解变得复杂，因为离子可能会引入异常现象，如滞后或巨介电常数。因此，电子景观，包括其与移动离子的相互作用，是很难访问实验和分析。为了解决这一挑战，我们应用了一系列的小扰动技术，包括阻抗谱（IS），强度调制光电流谱（IMPS）和强度调制光电压谱（IMVS）的平面$\mathrm{MAPbI_3}$钙钛矿太阳能电池。我们的测量结果表明，电子以及离子的响应，可以观察到在所有三种方法和文献比较分配。结果表明，主要的载流子损耗机制是表面复合的准费米能级分裂的限制。移动离子和电子载流子之间的相互作用导致的表观二极管的理想因子从0.74到1.64的移动，以增加照明强度，尽管复合机制保持不变。
2020-12-16 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Increasing the Collection Efficiency in Selenium Thin-Film Solar Cells Using a Closed-Space Annealing Strategy
本研究提出近空间退火（CSA）策略抑制硒升华，实现更高温度与更长时间退火，在不减小晶粒尺寸下改善表面形貌，降低电荷转移电阻，从而提升硒薄膜太阳能电池的载流子收集效率与整体性能。
2024-01-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Elucidating the Methylammonium (MA) Conformation in MAPbBr3 Perovskite with Application in Solar Cells
有机-无机杂化钙钛矿MAPbX 3（X=卤素）是新一代太阳能电池中的活性吸收材料，在PbX 6八面体网络的大空隙中含有甲基铵（MA：CH 3-NH3+）。CH 3 NH3 PbBr 3是一种有前途的替代物，具有大的带隙，产生高的开路电压。对晶体结构的深入了解，特别是在室温以下经历的相变中钙钛矿笼内的MA构象，似乎对建立可能推动进一步改进的结构-性质相关性至关重要。质子的存在需要使用中子，结合同步加速器XRD数据，有助于描绘冷却时发生的微妙对称性变化。我们提出了一个一致的图片，这种迷人的材料的结构特征，在补充光电探测器设备的光电流测量，证明了MAPbBr 3在光电子学的潜力。
2018-04-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Short-Term Environmental Effects and Their Influence on Spatial Homogeneity of Organic Solar Cell Functionality
在这里，我们专注于诱导降解和空间不均匀性的有机光伏器件在不同的环境条件下，解耦的空穴传输（HT）层的影响。在测试包含作为供体的P3 HT的标准光活性层、与作为受体的PCBM共混的器件期间，在暴露于干燥空气、具有照明的干燥空气和潮湿空气时在未封装器件之间进行比较。讨论了对有源层的光物理学的影响，以及在积分太阳能电池的性能和空间分辨的光电流分布与二极管特性的点对点分析，以确定所观察到的行为的起源的设备物理学。结果表明，即使没有广泛使用的吸湿HT层PEDOT：PSS，湿度仍然是具有这种结构的有机太阳能电池的短期环境降解的主要因素，而不仅仅是氧气或光，正如经常报道的那样。不同于以往的报道，水引起的设备退化是空间均匀的，形成的Al 2 O3岛只看到氧渗透通过铝中的针孔，我们观察到的绝缘岛后，湿度暴露在本研究中。此外，我们用激光束感应电流映射和点对点二极管分析证明，水引起的性能损失是暴露的器件区域的结果，该暴露的器件区域包括具有完全未改变的高输出和完整二极管行为的区域，以及具有严重退化的区域，其显示出精神上降低的输出和电压无关的电荷阻断，这本质上是绝缘行为。有人建议，这是由于水通过针孔运输到有机/金属界面，在那里它们形成绝缘氧化物或氢氧化物岛，而有机活性层保持不受伤害。
2018-08-19 physics.app-ph
Resonant Silicon Nanoparticles for Enhanced Light Harvesting in Halide Perovskite Solar Cells
共振胶体纳米颗粒的实现，以提高性能的有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池是非常有前途的方法，因为它是兼容的溶液处理技术用于任何有机材料。此前，共振金属纳米颗粒已被纳入钙钛矿太阳能电池中，以获得更好的光吸收和电荷分离。然而，高的固有光损耗和贵金属与钙钛矿中卤化物的高反应性是这种方法的主要限制因素。反过来，低损耗和化学惰性的共振硅纳米颗粒允许在纳米尺度下的光捕获和增强，适用于薄膜光致发光。在这里，光电流和填充因子增强介观超结构的有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池，将共振硅纳米粒子之间的介孔TiO 2传输和活性层，证明。这导致器件效率提高到18.8\%，填充因子提高到79\%，是先前报道的将纳米颗粒掺入到基于CH 3NH3PbI3（MAPbI3）钙钛矿的太阳能电池中的值中的记录。理论建模和光学表征揭示了Si纳米颗粒在有源层中增加光吸收而不是更好的电荷分离的重要作用。所提出的策略具有普遍性，可应用于各种组成的钙钛矿太阳能电池，以及在其他光电子器件。
2018-07-13 physics.app-ph physics.optics
Watching Space Charge Build up in an Organic Solar Cell
空间电荷效应会严重影响有机光致发光器件（OPV）的电荷收集性能，特别是在厚膜器件中。空间电荷的两个主要原因是掺杂和不平衡输运。虽然这些是完全不同的现象，但它们导致光电流的相同电压依赖性，使它们难以区分。在这项工作中，介绍了一种方法，如何建立的空间电荷，由于不平衡的运输可以在一个真正的有机太阳能电池监测。该方法是基于量子效率谱的重建，只需要简单的测量光学输入参数。这使得它适用于筛选新的OPV材料。此外，数值和分析手段推导出预测的电荷收集上的不平衡传输的影响。结果表明，当电荷复合被充分减少，平衡的运输是有效的厚膜OPV的必要条件。
2020-04-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-ph
Analytical Model for Light Modulating Impedance Spectroscopy (LIMIS) in All-Solid-State p-n Junction Solar Cells at Open-Circuit
标准恒电位阻抗谱（IS）的非电路理论漂移扩散数值模拟是一种众所周知的材料和电子器件表征策略。它意味着在电极处的偏置边界条件的小扰动下，从连续性和泊松方程的时间依赖性的解决方案。但是在光敏器件的情况下，也可以采用小的光扰动来调制沿着吸收体的产生速率。在此基础上，本文对单侧pn结太阳电池在开路条件下的IS、强度调制光电流和光电压谱（IMPS和IMVS）的信号进行了解析求解。随后，一个光阻抗信号命名为光强度调制阻抗谱（LIMIS等于IMVS在IMPS）进行了分析模拟，其差异相对于IS建议与表面载流子复合速度的相关性。这是一个说明性的结果和起点，为未来更现实的数值模拟。
2019-11-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Ge virtual substrates for high efficiency III-V solar cells: applications, potential and challenges
近年来，基于直接沉积在Si上的薄Ge层的虚拟衬底已经达到了高质量。在这项工作中，他们的应用，高效率III-V族太阳能电池进行了分析。根据我们使用最新技术水平的Ge太阳能电池的实际参数进行的计算，在标准晶格匹配和直立变质GaInP/Ga（In）As/Ge太阳能电池中用Ge/Si虚拟衬底取代传统的Ge衬底是可行的，但具有薄基底（<5 μ m）。第一个实验步骤是通过在具有5 μ m厚Ge层的中等质量Ge/Si虚拟衬底上实现Ge单结和全GaInP/Ga（In）As/Ge三结太阳能电池来解决的。结果表明，Ge底部电池中的光电流仅足以实现与上部子电池的电流匹配，但由于结中的低电压，整体性能较差。此外，在三结结构中观察到的裂纹表明需要减小Ge + III-V结构的厚度或使用其他先进的方法来减轻热膨胀系数失配效应，例如使用嵌入式多孔硅。接下来的实验工作将追求这一目标，并使用更先进的Ge/Si虚拟衬底，具有更低的穿透位错密度和不同的Ge厚度。
2019-09-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Light-trapping enhanced thin-film III-V quantum dot solar cells fabricated by epitaxial lift-off
报道了采用全3英寸外延剥离（ELO）工艺制备的具有$n-i-p{+}$深结结构和平面背反射器的InAs/GaAs量子点（QD）薄膜太阳电池。外部量子效率测量表明，与基于晶片的QD电池相比，ELO QD电池中的QD光电流增强了两倍。在GaAs波长范围内，ELO QD电池完美地保持了基线单结ELO电池的电流收集效率。我们通过全波光学模拟证明，在ELO单元后侧集成微图案化衍射光栅提供了超过十倍的近红外线捕获的量子点的增强。实验结果进行了彻底的讨论，与基于物理的模拟的帮助下，挑出量子点的动力学和缺陷对电池的光伏行为的影响。结果表明，量子点堆中的非辐射复合是器件开路电压（$V_{oc}$）的瓶颈。更重要的是，我们的理论计算表明，从高质量III-V QD太阳能电池的实验数据的集合中，从由\emph{Tanabe et al., 2012}识别的QD基态偏移0.3 V的$V_{oc}$是可靠的（尽管保守）度量，以测量可达到的$V_{oc}$并量化通过减少非辐射复合的改进范围。如果材料质量问题得到解决，我们证明-通过传输和严格的电磁模拟-光捕获增强薄膜电池与20 InAs/GaAs量子点层达到效率高于28%，在非集中光，环境温度下。如果能充分利用光子的再循环，30%的效率被认为是可行的。
2018-05-25 physics.app-ph
Semitransparent Polymer-Based Solar Cells with Aluminum-Doped Zinc Oxide Electrodes
通过使用两个透明电极，有机太阳能电池是半透明的，并且可以组合成并联连接的多结器件或用于诸如发电窗的创新应用。一个具有挑战性的问题是电极的优化，以便将高透明度与足够的电性能相结合。在目前的工作中，我们研究的潜在的电沉积的铝掺杂氧化锌（AZO）作为替代广泛使用的，但相对昂贵的氧化铟锡（ITO）作为阴极材料的半透明聚合物-富勒烯太阳能电池。关于阳极，我们利用基于嵌入在两个蒸发的MoO $_3$层之间的超薄Au膜的绝缘体/金属/绝缘体结构，其中外部MoO $_3$膜（覆盖层）用作光耦合层。系统地研究了无ITO透明太阳能电池的性能与覆盖层和有源层的厚度以及光照方向的关系。发现这些变化对所获得的光电流具有强烈的影响。我们对器件内的电场分布进行了光学模拟，以分析电流变化的起源，并提供对器件物理的深入了解。利用本文研究的常规吸收体材料，优化的无ITO和半透明器件达到2.0%的功率转换效率和60%的最大光透射率，该器件概念可能可转移到其他吸收体材料。
2019-04-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
The dynamics of internal electric field screening in hybrid perovskite solar cells probed using electroabsorption
由金属卤化物钙钛矿太阳能电池中的电荷分布引起的电场对于理解这些设备所显示的许多奇怪而奇妙的光电特性至关重要。移动离子缺陷被认为在界面处积累以在施加外部偏压时屏蔽钙钛矿半导体的本体内的电场，但是需要工具来直接探测该过程中的电场的动态。在这里，我们表明，电吸收测量允许在活性层内的电场被跟踪作为频率或时间的函数。对应于钙钛矿层中的电场强度的电吸收信号的幅度对于外部施加的低频电压或在电压阶跃之后的长时间下降。我们的观察是一致的漂移扩散模拟，阻抗谱，瞬态光电流测量。它们表明在10 ms至100 s的时间尺度上的电荷屏蔽/再分布，这取决于器件夹层材料、钙钛矿组合物、主要带电缺陷和照明条件。该方法可以在典型的太阳能电池结构上进行，并有可能成为优化混合钙钛矿器件的常规表征工具。
2022-01-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Charge Photogeneration in Non-Fullerene Organic Solar Cells: Influence of Excess Energy and Electrostatic Interactions
在有机太阳能电池中，光生单线态激子形成电荷转移（CT）复合物，其随后分裂成自由载流子。在这里，我们考虑的贡献过剩能量和分子四极矩的电荷分离过程。我们研究了由聚合物施主PTB 7-Th和两个非富勒烯受体ITIC和h-ITIC组成的两个独立的本体异质结系统中的电荷光生。在这些供体-受体系统中的CT状态的解离监测从瞬态吸收实验获得的电荷密度衰减动力学。利用延迟收集场（TDCF）和灵敏的稳态光电流测量方法研究了不同激发能下载流子产生的电场依赖性。在低于光学间隙的激发下，自由载流子产生变得与增加的光子能量的场依赖性更小，这挑战了电荷光生通过能量最低的CT状态进行的观点。我们确定的平均距离电子空穴对之间的施主-受主界面从经验拟合TDCF数据。CT状态的离域是较大的PTB 7-Th：ITIC，具有较大的分子四极矩的系统，指示CT复合物的解离上的供体-受体界面处的静电势的相当大的影响。
2021-11-08 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Thermal-Carrier-Escape Mitigation in a Quantum-Dot-In-Perovskite Intermediate Band Solar Cell via Bandgap Engineering
本文合成高质量QDiP固体并制备IBSCs，通过温度依赖光电流测得IB→CB电子热逃逸活化能为204 meV，证明室温下可抑制热载流子逃逸。
2023-02-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Performance limitation of Si Nanowire solar cells: Effects of nanowire length and surface defects
在硅纳米线（SiNW）太阳能电池中，除了载流子收集和光吸收方向的解耦之外，增强的光限制特性对于解决体硅太阳能电池的缺点起着重要作用。在这份报告中，我们已经研究了硅NW阵列太阳能电池的光伏特性的依赖性上的SiNW的长度和增强的表面缺陷状态作为结果的增强的表面积的NW。采用金属催化无电腐蚀（MCEE）技术制备了硅纳米线阵列。pn结是通过旋涂掺杂剂技术随后是热扩散工艺来制造的。通过电子束蒸发技术沉积了前电极和后电极。通过控制MCEE技术的参数，已经将SiNW的长度从~ 320 nm控制到6.4 μ m。太阳能电池的光伏特性已经通过测量量子效率和光电流密度对电压特性来表征。用扫描电子显微镜进行了形态学研究。光捕获能力的降低得益于表面缺陷的减少。已经证明，与光捕获能力的降低相比，表面缺陷的减少更有利。对电池效率变化的主要贡献来自于短路电流密度的增强，其对开路电压的依赖性非常弱。这一工作对于硅纳米线阵列作为减反射膜代替单独的减反射膜，降低生产成本的商业化硅太阳能电池的生产是有益的。
2019-09-16 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
How Charge Carrier Exchange between Absorber and Contact influences Time Constants in the Frequency Domain Response of Perovskite Solar Cells
本研究构建了考虑传输层电荷载流子交换过程的钙钛矿太阳能电池光电响应模型，可通过时间常数的电压特性区分传输层主导的响应，实现传输层参数提取及相关损耗的准确估算。
2023-03-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
The effect of dataset size and the process of big data mining for investigating solar-thermal desalination by using machine learning
Shaoyang University（邵阳学院）；Delta University for Science and Technology（德尔塔科技大学）；National University of Defense Technology（国防科技大学）
本研究针对太阳能光热海水淡化中数据短缺问题，开发了优化的数据集收集与分析流程，收集超千条数据并提出跨学科工艺流程，发现随机森林适用于大数据集且数据集范围显著影响因子重要性，为机器学习研究该领域提供了标准流程。
2024-11-13 cs.LG physics.app-ph
Light Intensity Modulated Impedance Spectroscopy (LIMIS) in All-Solid-State Solar Cells at Open Circuit
本文提出在开路下以LIMIS=IMVS/IMPS表征全固态太阳能电池，揭示其与IS的差异可修正寿命分析、检验叠加原理并作为性能评价指标。
2019-11-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Influence of Environmentally Affected Hole Transport Layers on Spatial Homogeneity and Charge Transport Dynamics of Organic Solar Cells
在有机光伏电池的效率达到10%以上后，对太阳能电池稳定性和降解机理的控制成为一个突出的课题。由于在本体异质结太阳能电池中并入空穴传输层（HTL）而导致的器件效率的改善已被广泛报道。然而，最广泛使用的HTL材料PEDOT：PSS经常被怀疑是环境条件下器件不稳定性的主要来源。因此，像光氧化和电极腐蚀这样的效应经常被报道会缩短器件寿命。然而，在环境器件研究中，降解的来源，无论是来自HTL、活性层还是金属阴极，通常都很难区分，因为氧气和水的外部扩散会影响所有组件。在这项研究中，不同的HTL，即由传统的PEDOT：PSS和两种类型的三氧化钼（MoO 3）制备的HTL，在惰性条件下的装置完成之前，暴露于不同的环境，例如氧气、光或湿度。这允许研究HTL内的任何影响以及来自其与氧化铟锡电极或活性层的界面处的反应。暴露的HTL的表面和体化学已被监测和讨论的上下文中所观察到的设备物理，动态电荷传输和空间性能的均匀性，根据OPV设备。结果表明，仅仅HTL的湿度暴露导致PEDOT：PSS的器件性能降低，但对于一种类型的测试MoO 3也是如此。损失与HTL中吸收的水的量有关，导致界面接触方面的活性面积损失。具有PEDOT：PSS HTL的器件在潮湿空气暴露后显示出由于吸湿层的溶胀/收缩的微分层而严重降低的光电流。
2019-06-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Stable Perovskite Solar Cells via exfoliated graphite as an ion diffusion-blocking layer
本文提出用喷涂剥离石墨中间层阻挡钙钛矿太阳能电池中的离子与金属扩散及湿气侵入，抑制缺陷和非辐射复合，最终实现25%的功率转换效率和超过80%的填充因子，并显著提升器件运行稳定性。
2024-07-31 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Nature-Inspired Hyperuniform Nanohole Patterning for Robust Broadband Absorption Enhancement in Perovskite Solar Cells
Bangladesh University of Engineering and Technology（孟加拉国工程技术大学）
本研究提出一种基于自然的超均匀纳米孔结构，用于增强钙钛矿太阳能电池的宽频带吸收，通过优化光路长度提升光电性能。
2026-04-25 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
