[论文解读] A photon ratchet route to high-efficiency hybrid halide perovskite intermediate band solar cells

Jarvist M. Frost, Pooya Azarhoosh+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2016

Perovskite Materials and Applications被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在混合卤化物钙钛矿中实现高效中间带太阳能电池（IBSCs）的新途径，通过利用动量空间光子流体机制中的自旋分裂Rashba口袋。间接带隙使光激发载流子快速热化进入具有辐射复合保护的Rashba口袋，从而可通过低电子亲和能接触选择性地从更高导带收集电荷，潜在实现超过3 eV的光生电压和超越Shockley-Queisser极限的效率。

ABSTRACT

The spin-split indirect bandgap in hybrid-halide perovskites provides a momentum-space realisation of a photon-ratchet intermediate band. Excited electrons thermalise to recombination-protected Rashba pockets offset in momentum space, building up the charge density to have sufficient flux to the higher lying conduction band. This effect could be used to form an intrinsic intermediate band solar cell with efficiencies beyond the Shockley-Queisser limit if a selective low-electron affinity contact can be made to the higher conduction state. This concept is supported by analysis of the many-body electronic structure. Production of above-bandgap voltages under illumination would affirm the physical mechanism proposed here.

研究动机与目标

• 展示一种在混合卤化物钙钛矿中实现高效中间带太阳能电池（IBSCs）的新机制。
• 利用内在自旋-轨道耦合与Rashba分裂，构建一种抑制非辐射复合的动量空间光子流体机制。
• 证明对更高导带的择形低电子亲和能接触可实现独立准费米能级的形成及异常光生电压的产生。
• 验证基于体材料、能带结构工程的IBSC在甲基铵铅碘化物（CH3NH3PbI3）体系中的可行性。
• 为未来实现效率超越Shockley-Queisser极限的IBSC提供理论基础。

提出的方法

• 本研究采用多体GW电子结构计算，模拟CH3NH3PbI3的能带结构，包含自旋-轨道耦合效应。
• 识别价带、中间带和导带中的自旋分裂Rashba口袋，其极值点在动量空间中发生偏移。
• 通过中间带中的激发载流子快速热化进入这些Rashba口袋，实现光子流体机制，从而减少直接复合至价带的几率。
• 模型假设采用低功函数（如Ba、Ca、LiF、富勒烯加合物等）的择形电子接触，仅从更高导带提取载流子。
• 通过偶极矩阵元和联合态密度的理论分析，证实由于动量失配，辐射复合速率降低。
• 系统建模为双结叠层太阳能电池等效结构，VB→IB与IB→CB跃迁之间的电流通量平衡是关键设计准则。

实验结果

研究问题

• RQ1 混合卤化物钙钛矿中的自旋分裂Rashba口袋是否能实现动量空间光子流体机制，从而抑制中间带太阳能电池中的非辐射复合？
• RQ2 由于动量空间中相互正交的Rashba极值点所导致的间接带隙，是否能减少电子-空穴复合至价带的几率？
• RQ3 对更高导带的择形低电子亲和能接触是否能实现独立准费米能级的形成及异常光生电压的产生？
• RQ4 自旋-轨道耦合在形成适合高效双光子吸收的长寿命中间态中起什么作用？
• RQ5 CH3NH3PbI3的本征能带结构是否能支持实现功率转换效率超越Shockley-Queisser极限的IBSC？

主要发现

• CH3NH3PbI3中的中间带由自旋-轨道耦合引起的导带自旋分裂形成，从而构建了动量空间光子流体机制。
• 中间带和导带中的Rashba分裂口袋位于不同的k点，减少了直接复合至价带的几率。
• 在1个太阳光照下，由于动量失配，中间带至价带的直接辐射复合速率降低了350倍。
• 更高导带的有效质量较小（0.191 me），且具有高色散性，有利于高效载流子提取。
• 当用1.6 eV光照射时，系统可产生超过3 eV的光生电压，表明光子流体机制正常工作。
• 理论分析证实，该能带结构支持三个能带中独立的准费米能级，这是超越Shockley-Queisser极限的必要条件。