太陽能電池是實現(xiàn)光能到電能轉(zhuǎn)換的光伏器件。在光電轉(zhuǎn)換過程中，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、復(fù)合、抽取等多個體相和界面動力學(xué)過程。這些電荷動力學(xué)過程本質(zhì)上主導(dǎo)著器件本身的性能。如何精確測量些微觀動力學(xué)參數(shù)？如何準(zhǔn)確理解這些動力學(xué)過程的物理機制? 是光電、電光領(lǐng)域的重要研究課題。也是評價材料性能和指導(dǎo)器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化進而提高器件性能的必由之路。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心孟慶波團隊在探索高性能薄膜新型太陽能電池的同時一直致力于開發(fā)用于太陽能電池的電荷動力學(xué)和缺陷態(tài)等物理性質(zhì)的量化測量和分析方法，已經(jīng)取得了一系列研究成果。比如成功研制了可調(diào)控的太陽能電池瞬態(tài)光電測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了太陽能電池在實際工作狀態(tài)下電荷動力學(xué)的測量（Rev. Sci. Instrum. 2016, 87, 123107），成功應(yīng)用于鈣鈦礦太陽能電池離子動力學(xué)的測量（Appl. Phys. Lett. 2015, 107, 163901）；量化分析了太陽能電池的界面和體相缺陷分布，并用于闡明了鈣鈦礦太陽能電池的電學(xué)穩(wěn)定性問題的界面起源（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題，指出該模型在電池測量狀態(tài)的一致性和對太陽能電池光電壓產(chǎn)生的物理過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能電池測量和研究不具備的普適性。

通過理論計算模擬電瞬態(tài)表征技術(shù)背后器件的載流子動力學(xué)和電荷損失機制，他們提出了一種新的量化太陽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）。該方法對于常規(guī)硅太陽能電池、新興的銅鋅錫硫太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池具有很好的普適性，并且能夠擴展到其他類似結(jié)構(gòu)的光伏器件。這項工作為全面研究太陽能電池中載流子動力學(xué)過程和電荷損失機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。這項研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和科技部的支持。


圖1. 對于器件差分電容的精確測量


圖2. 鈣鈦礦吸收層中電荷傳輸?shù)哪M和光電壓的建立過程


圖3. 鈣鈦礦太陽能電池中的電瞬態(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）。