[论文解读] Interplays between charge and electric field in perovskite solar cells: charge transport, recombination and hysteresis

Jiangjian Shi, Huiyin Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2016

Perovskite Materials and Applications参考文献 47被引用 41

一句话总结

本研究揭示了电荷载流子与电场之间的动态相互作用主导了钙钛矿太阳能电池中的电荷传输、复合以及滞后行为。通过结合瞬态电学测量与理论建模，作者证明了光致载流子生成增强了复合，同时维持了高强度的内建电场；而离子迁移引起的静态电荷显著扭曲了电场分布，导致通过改变电荷收集与复合动力学而产生滞后现象。

ABSTRACT

Interplays between charge and electric field, which play a critical role in determining the charge transport, recombination, storage and hysteresis in the perovskite solar cell, have been systematically investigated by both electrical transient experiments and theoretical calculations. It is found that the light illumination can increase the carrier concentration in the perovskite absorber, thus enhancing charge recombination and causing the co-existence of high electric field and free carriers. Meanwhile, the cell shows a similar charge storage and junction mechanism to that of the multicrystalline silicon solar cell, where the junction electric field determines the charge collection and distribution. Furthermore, it is demonstrated that the static charge of both the doping and defect coming from ion (vacancy) migration can significantly influence the electric field inside the cell, thus affecting the charge collection and recombination, which could be the origins for the widely-concerned hysteresis behaviors.

研究动机与目标

• 理解钙钛矿太阳能电池中电荷载流子与电场之间的相互作用。
• 识别电流-电压滞后现象的根源，该现象是钙钛矿太阳能电池稳定性与性能的主要障碍。
• 研究离子迁移与缺陷相关电荷如何影响内建电场与电荷动力学。
• 比较钙钛矿与多晶硅太阳能电池在结行为与电荷收集方面的相似性。
• 建立电场调制与光照下复合损失之间的机制联系。

提出的方法

• 在不同光照与偏压条件下进行瞬态电学测量，以探测电荷动力学。
• 进行理论计算，以模拟存在可移动离子与缺陷时的电场分布与载流子输运。
• 利用时间分辨电流-电压响应分析光照下高电场与自由载流子共存的现象。
• 比较钙钛矿太阳能电池与多晶硅太阳能电池在电荷存储与结机制方面的异同。
• 建模离子（空位）迁移对电场空间分布与载流子复合的影响。
• 采用 Rev. Sci. Instrum. 87, 123107 (2016) 的实验装置验证理论预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 光照如何影响钙钛矿太阳能电池中载流子浓度与电场分布？
• RQ2 离子迁移在调制内建电场并引起滞后现象中起什么作用？
• RQ3 缺陷诱导电荷与掺杂浓度在多大程度上影响电荷收集效率？
• RQ4 钙钛矿太阳能电池中的电荷传输与复合机制与多晶硅太阳能电池相比有何异同？
• RQ5 在工作条件下，高电场与自由载流子共存的根源是什么？

主要发现

• 光照增加了钙钛矿吸收层中的载流子浓度，导致复合增强，并促成高电场与自由载流子共存的现象。
• 该器件表现出类似于多晶硅太阳能电池的电荷存储与结机制，其中电场控制电荷收集与分布。
• 离子迁移从空位与掺杂剂产生静态电荷，显著扭曲内建电场并改变载流子动力学。
• 这些由离子引起的电荷分布被确定为钙钛矿太阳能电池中电流-电压滞后现象的主要成因。
• 理论建模证实，可移动离子引起的电场调制会直接影响电荷复合与收集效率。
• 本研究建立了一个统一框架，通过运行条件下电场演化将电荷输运、复合与滞后现象联系起来。