介观钙钛矿太阳能电池光电性能测试校准与器件模拟研究

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近年来,钙钛矿太阳能电池发展迅速,其实验室最高光电转换效率已经达到了25.2%。作为一种新兴太阳能电池技术,其光电转换效率的准确测量尤为重要。前期研究发现,钙钛矿太阳能电池的测试面积会对其光电性能测试的结果产生巨大影响。本文对导致该现象的影响因素进行了研究,并提出了一种光电性能测试的校准方法。具体研究内容如下:(1)研究测试面积对光电性能测试的影响。选取基于TiO2/ZrO2/Carbon三层介孔膜结构的可印刷介观钙钛矿太阳能电池作为研究对象,针对活性面积为0.64 cm2的器件,采用开孔面积为0.03~0.503 cm2的遮光罩进行伏安特性曲线(J-V)测试。研究表明,当测试面积逐渐减小时,所测得的短路电流密度(JSC)明显升高,并超过理论值,而开路电压(VOC)略微下降;导致JSC测试值偏高的原因是模拟太阳光透过遮光罩时在开孔边缘产生散射光;当遮光罩的开孔面积(Aap)减小时,环状的散射光照射区域(Ad)相对总光照区域的占比Ad/(Aap+Ad)增加,造成JSC测试值增大;而导致VOC测试值偏低的原因是,光照条件下器件活性区域中的暗区仅产生暗电流,而不产生光电流,当测试区域/活性区域的比值(X)越小,暗区比例越大,所测得的VOC也相应的越小。(2)光电性能测试的校准与误差分析。通过散射光模型研究测试区域与JSC测试值的关系,假设环状Ad的宽度Wc以及Ws仅受光源的均匀性以及测试环境影响,将Wc以及Ws假定为常数,经数学推导后可得JSC测试值与遮光罩孔径的倒数呈二次相关,由此提出了一种校准短路电流密度测试数值的方法。此外,测得的VOC和测试区域/活性区域比(X)符合肖克利二极管方程,得到两者成指数函数关系。通过对不同测试面积下的JSC、VOC、填充因子(FF)、光电转换效率(PCE)进行误差分析,得到当测试面积较小(0.018和0.031 cm2)时,由于极大高估了JSC,PCE被高估了9.6~12.9%;当测试面积增加到0.049~0.283 cm2时,测试误差减小到0.06~3.5%。而进一步增大测试面积,并无法进一步减小PCE的测试误差。(3)电化学阻抗谱分析的应用。针对无空穴传输材料的介观钙钛矿太阳能电池独特的结构,通过借鉴传统结构钙钛矿太阳能电池的等效电路的基本模型,对可能出现感应回路的中频区域,使用CPE2//R2//L2复合元件进行拟合。建立改进的等效电路模型,并针对感应回路出现的原因提供几种可能的猜想。通过对高频到低频的电容和电阻进行分析,与具有空穴传输结构的器件相比,无空穴传输材料的介观钙钛矿太阳能电池,同样拥有良好的介电性能,但中频的感应回路显示无空穴传输材料结构导致了更加复杂的界面复合,可能影响了器件开路电压的提升。
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