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钙钛矿太阳能电池中非辐射复合能量损失的研究
钙钛矿太阳能电池制备工艺简单,成本低廉。近年来,该类太阳能电池因其快速增长的光电转换效率和逐步提升的器件稳定性,吸引了学术界和产业界的广泛关注,为光伏领域带来了新的机遇。然而,由于钙钛矿太阳能电池中存在非辐射复合损失,所以目前的光电转换效率依然低于肖克利-奎塞尔(Shockley-Queisser)理论所定义的极限效率。因此,最大化降低钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失是进一步提升电池器件效率的未来研究重点。 鉴于此,研究团队基于已有的研究基础,对“最大化降低钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失”这一论题进行深入探讨和系统总结。该综述文章主要包括以下几个方面:首先,介绍了钙钛矿太阳能电池中非辐射复合的起源,并详细讨论了非辐射复合损失的定量化测试方法;其次,系统总结了在降低非辐射复合损失方面的最近研究进展;再次,依据肖克利-奎塞尔理论,对钙钛矿太阳能电池所能够获得的最高光电转换效率进行了科学预测;最后,在展望部分,前瞻性地指出了最大化降低非辐射复合损失的未来努力方向。图1. 金属卤化物钙钛矿活性层内的电荷载流子产生与复合动力学机制 在理想的金属卤化物钙钛矿半导体材料中,所有的光生电子和空穴最终将通过发射光子的方式进行复合(即:辐射复合)。然而,在实际的钙钛矿太阳能电池中存在大量的非辐射复合通道(如图1所示),绝大部分光生载流子将优先通过其他非辐射途径进行复合(例如,缺陷辅助复合,俄歇复合,界面诱导复合,电声耦合,带尾态复合等)。这些非辐射复合损失过程极大降低了电池在稳态下的光生载流子浓度,从而减小了金属卤化物钙钛矿层中准费米能级劈裂的能级差,最终造成钙钛矿太阳能电池较大的电压损失。因此,最大化降低或抑制这些非辐射复合通道是提升器件开路电压和光电转换效率的关键。 针对各种非辐射复合通道,该综述首先介绍了目前量化分析非辐射复合损失的常规测试技术以及测试要点,如图2所示。图2. 量化钙钛矿薄膜和完整器件中非辐射复合损失的表征技术 随后,结合当前研究现状,进一步梳理了近年来在降低非辐射复合损失方面取得的一系列重要进展。值得一提的是,该研究团队去年在《Science》杂志上报道的基于溶液二次生长方法构建渐变结的策略(如图3所示),在降低反式钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失方面效果显著(Science 360, 1442-1446)。此后,一系列研究报道显示,相似的策略在正式常规结构钙钛矿太阳能电池和全无机钙钛矿太阳能电池中也可以获得正向的实验结果。由此说明,在金属卤化物钙钛矿半导体材料中构建有效的渐变结对后续降低非辐射复合损失具有非常重要的借鉴价值。图3. 渐变结钙钛矿太阳能电池器件结构和渐变结的时间分辨光谱 此外,该综述还以当前最高效率的砷化镓太阳能电池为参照,先假定钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失与砷化镓太阳能电池的情形一致,再依据肖克利-奎塞尔理论,对钙钛矿太阳能电池所能够获得的性能参数进行科学预测,进而给出电池器件所能达到的最高光电转换效率,如图4所示。图4. 当钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失与当前最高效率砷化镓太阳能电池的情况相同时,单结钙钛矿太阳能电池可实现的最优器件性能参数 最后,该综述也指出,目前提升器件性能的两条主要途径是最优化光子俘获和最大化降低非辐射复合损失。如果能将二者进行有效整合,探索更可靠的协同优化策略,这可能会是将器件光电转换效率提升至接近理论极限的可行方案。为此,综述也对一些未来的努力方向进行了展望。 总的来说,该综述为最大程度地降低钙钛矿太阳能电池的非辐射复合损失提供了理论总结,也为开展实验工作提供了参考借鉴,对进一步提升电池效率,推动该类电池产业化应用有重要意义。
北京大学 2021-04-11
限域效应驱动的二维碘化铅钙钛矿铁电体的发现
前期,东南大学化学化工学院国际分子铁电科学与应用研究院暨江苏省“分子铁电科学与应用”重点实验室科研人员首次发现了杂化铅碘钙钛矿分子铁电薄膜中的“涡旋-反涡旋”(vortex-antivortex)畴结构。此次,
东南大学 2021-01-12
一种半透明钙钛矿太阳能电池及其制备方法
本发明公开了一种半透明钙钛矿太阳能电池及其制备方法,钙 钛矿太阳能电池包括透明导电基板 a、无机电子传输层、光捕获层、无 机空穴传输层和透明导电基板 b,其中光捕获层由 DXZ3 型钙钛矿材 料 形 成 , D 选 自 Cs<sup>+</sup> 、 CH3NH3<sup>+</sup> 、 CH(NH2)2<sup>+</sup> 或 其 混 合 物 , X 选 自 P
华中科技大学 2021-04-14
一种二元金属复合钙钛矿材料、制备方法及其应用
本 发 明 公 开 了 三 种 新 的 二 元 金 属 盐 钙 钛 矿 材 料 AB<sup>1</sup>B<sup>2</sup>X3(X:Cl、Br、I)及其制备方法,以及 其在多种结构的钙钛矿太阳能电池制备中应用,属于新材料太阳能电 池 领 域 。 本材料由有机卤化物 <img file=""DDA0000889538320000011.GIF"" wi=""508"" he=""77"" /&g
华中科技大学 2021-04-14
地面三维激光扫描技术与工程应用
本书概述了三维激光扫描技术的概念与原理,分类与特点,研究现状与应用领域,阐述了点云数据的获取方法与精度分析,简要介绍数据处理的主要流程与基于点云的三维建模方法等.
江苏海洋大学 2021-05-06
高速大口径激光能量测量仪
短脉冲激光器已经广泛应用于工业、军事等领域,但是随着使用次数、时间的变化以及激光器本身性能的波动,造成输出性能下降,更多地体现在能量的变化。这样,就会造成与其配套设备性能的下降,甚至无法工作。如远距离激光测距机因激光能量的下降,造成测量距离变短等。传统的激光能量计,测量口径小、速度慢,无法满足特定环境、设备的需求。
电子科技大学 2021-04-10
大功率复杂波形激光脉冲种子源
大功率复杂波形激光脉冲种子源主要用于产生高功率的复杂波形激光脉冲。在MOPA(Master Oscillator Power Amplifier)系统中的输出光脉冲,会因系统内部的多次光放大而带来波形劣化。克服该技术缺陷的主要手段是对种子光脉冲进行整形,以修正最终的高功率脉冲波形。这要求种子源系统输出的光脉冲能同时满足大功率和复杂波形。 MOPA系统主要应用于需要强激光脉冲的激光标记、材料加工、或其它特殊领域,大功率复杂波形激光脉冲种子源是提升输出激光脉冲质量的核心技术。
电子科技大学 2021-04-10
高性能超快激光精密微加工装备
几年,随着消费电子(手机、智能手表等)、生物医疗需求的快速发展,尤其是代表下一代柔性移动显示屏OLED的巨大应用市场驱动下,超快激光精密微加工产业在世界范围内迅速增长。与传统的纳秒长脉冲相比,脉宽小于15皮秒的超快激光器用于材料加工时,由于脉冲的持续时间短于材料的热弛豫时间,在加工过程中避免热效应,基本不带来附加损伤和毛刺,适合于微米乃至纳米精度的超精细冷加工。超快激光的瞬间功率极大,几乎可以和任何材料相互作用,因此适用于超快激光加工的材料范围几乎不受限制,尤其有优势的加工对象包括玻璃、蓝宝石、陶瓷、太阳能薄膜、半导体晶圆、特种合金、精密医疗器件等。
南京大学 2021-04-10
激光驱动光子对撞机的新方案
北京大学物理学院颜学庆教授和卢海洋研究员领导的课题组提出了激光驱动光子对撞机的新方案,该方案每脉冲可以产生3亿个Breit-Wheeler事件,并且所产生的正负电子对发散角只有7度,具有非常好的准直性。同时,背景噪声可以得到有效抑制,信噪比高达1000:1。研究成果以 “Creation of electron-positron pairs in photon-photon collisions driven by 10-PW laser pulses”为题在线发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)。 根据爱因斯坦质能方程和量子电动力学理论,在一定条件下光子(能量)可以转化成物质,这对研究物质的起因有重要的作用。相关的理论研究始于上世纪30年代,直到1997年美国SLAC实验室才首次在实验中观测到多光子碰撞产生正负电子对的过程。然而,对于两个高能光子的互作用过程,也就是常说的光子对撞机,到目前为止还未能在实验中观测到。在光子对撞机中,光子的互作用的次数与光子数目和光子互作用截面成正比,与光子束的脉冲宽度、两束光子束的交叠面积成反比。在过去实验中不能观测到光子的互作用过程是因为已有伽马射线源的流强和亮度还达不到要求。 近年来,随着激光技术的发展,特别是10拍瓦(1拍瓦=1e15瓦)激光器的建成,激光光强将可以达到1e23W/cm3以上。当如此高强度的激光与物质相互作用时,大部分激光能量被吸收并转化成伽马射线辐射源,如果可以有效控制伽马射线的发散角,辐射的伽马射线将会达到前所未有的流强和亮度。 团队研究人员在前期的工作中对产生超高亮度伽马光源进行了深入的研究,首次从理论上系统阐明了微通道结构靶中,纵向电场主导了电子的加速过程,同时电子的横向加速可以得到有效的抑制,因此可以获得高准直性的电子束,当这些电子束在横向场中的相位发生反转时,电子就会在管道边界处产生强伽马辐射。由于电子的发散角决定了伽马辐射的发散角,因此可以获得准直性非常好的γ-ray辐射源。数值模拟中10PW激光所能获得的发散角小于3度,亮度比之前研究报道结果高出两个数量级的伽马辐射源。图1. 激光驱动光子对撞机产生正负电子对的方案设计图2. 本方案可以获得高出之前2-3量级的伽马光源亮度 本工作即基于以上研究成果,将该超高亮度的伽马射线应用于光子对撞机。理论计算结果表明,该方案可以获得超高信噪比(>1000:1),且每一发正负电子对信号(>1e8)远高于现有测量技术的探测极限。因此,通过该方案可以在实验室中验证光子互作用过程中由能量到物质的转换过程,将提供激光驱动光子对撞机研究的新途径,也将极大的促进双光子BW物理的发展。未来有望依据本方案建设基于重频拍瓦飞秒激光的高亮度伽马源及其应用装置。 北京大学物理学院博士后余金清为论文第一作者。颜学庆教授和卢海洋研究员为通讯作者。论文合作者还包括北京大学的陈佳洱院士、马文君研究员,広岛大学的T. Takahashi教授,高能物理所的黄永盛研究员。该研究工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发专项、挑战计划和中国博士后科学基金的联合资助。相关模拟工作得到北京大学高性能计算平台的支持。相关文章链接:Phys. Rev. Lett. 122, 014802 (2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.014802Appl. Phys. Lett. 112, 204103 (2018) https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5030942
北京大学 2021-04-11
非流式激光散射法血细胞分类计数仪
高校科技成果尽在科转云
西安交通大学 2021-04-10
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