Техники определения характеристик органических и перовскитных солнечных батарей

В последнее десятилетие мы стали свидетелями существенного прогресса в эффективности преобразования энергии новейшими тонкоплёночными солнечными батареями на основе органических полупроводников, квантовых точек, гибридных материалов, и перовскитов. Все эти новые разработки объединяются термином «фотоэлементы третьего поколения», и в целом характеризуются огромным разнообразием применяемых материалов и структуры устройств. Поэтому особую важность для анализа материала и оптимизации устройств приобретает точное определение характеристик.

Работа с солнечными батареями третьего поколения требует гораздо более глубокого понимания физических процессов, чем работа с кремниевыми фотоэлементами. Кристаллические кремниевые солнечные батареи - толще 100 мкм, и легированы. В совокупности эти факторы приводят к экранированию электрического поля, из-за которого большая часть устройства – свободно от влияния поля. Таким образом, перенос носителей заряда происходит под воздействием диффузии неосновных носителей в пределах легированной области. В следствие этого, качество кристаллического кремния характеризует срок работы неосновных носителей и длительность диффузии [1-4].

В отличие от солнечных батарей на основе кристаллического кремния, процессы фотогенерации и переноса заряда в органических и перовскитных батареях– сложнее для понимания, и требуют более сложных техник определения характеристик. К примеру, органические батареи имеют толщину между 50 и 300 нм, и структуру p-i-n (солнечную батарею на основе объёмного гетероперехода можно отнести к типу p-i-n, так как основной объём, как правило, не легирован). Электроды с различными рабочими функциями и легированные инжектирующие слои создают встроенный потенциал, который снижается в области собственной проводимости. Перенос носителей заряда производится путём дрейфа в этом внутреннем электрическом поле. В пределах области собственной проводимости концентрация электронов и дырок варьируется в пространстве – там нет явных «неосновных носителей», как в кристаллическом кремнии. Таким образом, вычислять длину диффузии в солнечной батарее структуры p-i-n не имеет смысла. Чтобы описать характеристики и рассчитать перенос заряда в структурах p-i-n, необходимо измерить подвижность электронов и дырок, коэффициент рекомбинации, встроенный потенциал, барьеры инжекции заряда, и прочие связанные с захватом заряда характеристики. Однако, эти свойства очень сложно вычислить индивидуально, так как в солнечном элементе они сильно взаимосвязаны.
Помимо прочего, свойства материала часто зависят от технологического процесса, применённых растворителей, термической обработки и подложки [5]. Свойства материала разнятся даже от партии к партии [6,7]. Например, показатели работы выхода металла, измеряемые с помощью фотоэлектронной спектроскопии, могут изменяться, если сверху наложен органический материал – это происходит из-за реакций на поверхности контакта [8].

Таким образом, определение характеристик отдельных составляющих солнечного элемента – нецелесообразно, поэтому необходим целостный метод оценки всего устройства. Существует множество экспериментальных техник изучения электрического материала и технических характеристик солнечных батарей. Данный обзор имеет целью осветить несколько самых известных экспериментальных техник. Для объяснения и количественного определения эффектов, наблюдаемых в каждом из тестов, мы применим числовое моделирование.

Анализируя работу перовскитных фотоэлементов (PSC), исследователи вскоре обнаружили, что расчёты эффективности преобразования энергии (PCE) не всегда дают исчерпывающий результат. Как правило, PCE фотоэлемента определяется с помощью вольт-амперной (J−V) прогонки при мощности источника излучения в одно солнце (1000 Вт m−2 ед. освещения при AM 1.5G). Результат выражен в виде кривой, которая пересекает ось напряжения (ось x) в точке, обозначающей напряжение холостого хода (Voc) а ось тока (ось y) в точке, обозначающей ток короткого замыкания (Jsc). Как видно на графике ниже, значение вольт-амперных характеристик фотоэлемента не имеют квадратную форму, что указывает на то, что мощность, полученная от фотоэлемента – меньше чем совокупный выход напряжения холостого хода (Voc) и Jsc.