浅谈太阳能电池中的开路电压，短路电流还有填充因子

在前不久解读的JMCA论文中，我在视频中给我的观众们留了一道开放题。使用FAPbI3晶种实现外延生长的高质量钙钛矿薄膜【JMCA】

如果我想提升开路电压和短路电流，那我该从哪些方面入手？

很感谢 @在下Stick 的回复，我今天就这个话题专门写这个专栏来聊聊这个话题，希望能解答你们心中的疑惑。

首先放图，这个图来自最新鄢炎发教授的Science。

其中的这个图A中，曲线和y轴相交的点的数字就是短路电流数值，横轴相交的点对应的数字就是开路电压数字，曲线上的数据点中坐标相乘最大的数字所对应的坐标点，通过计算就可以得到填充因子。

所谓钙钛矿太阳能电池的研究，就是努力增大短路电流，开路电压和填充因子。那么如何增加，这些东西都和什么因素相关呢？

1. 短路电流（Jsc）

研究一个东西跟什么因素相关，我们可以先观察这个东西的单位。短路电流的单位应是mA。然而实际中，包括上图展示的单位都是mA/cm2。所以你可以首先知道，之所以我们都报道短路电流（密度）这个数字，是因为短路电流跟器件的面积有关。器件有大有小，所以报道密度是更合理的方式。

其次，思考一下电流这个东西。它是电子数量在单位时间定向流经单位面积的一个表示。而电子数量的多少在钙钛矿太阳能电池中取决于载流子的生成和外电路的结合，接着反推对应的就是对光子的吸收和minor载流子收集的能力。（光照强，产生的载流子多；minor载流子收集能力强，外电路有更多的结合，电流高）

所以如何提升光子的吸收和minor载流子的收集能力呢？首先材料的带隙可以进行更好的调控，针对AM1.5的光谱，我们尽可能设计合适的带隙，吸收更多的光子。然后，针对minor载流子的收集能力，这个主要是关于空穴的提取，比如说提升钙钛矿层的结晶情况降低缺陷，更少的非辐射复合，更多空穴去外电路；比如说对钙钛矿和空穴传输层界面进行调控，进行表面钝化，让空穴提取能力提升；比如选择更合适的空穴传输层，提升空穴的浓度和寿命等。这些的目的都是为了让更多的空穴能去外电路和电子汇合产生电流。

2. 开路电压（Voc）

说完了短路电流，我们再看看开路电压。关于开路电压的研究有很多，我这边用其中一个公式简单的描述它。

在这个公式中，n是理想二极管系数，所以很多文章中你们看到光强度和Voc的测试曲线；T是温度，温度的改变影响器件的开路电压；I0是暗饱和电流，需要尽可能的低，然后IL是光生电流。

我们跟短路电流的案例一样，依次展开这几项。I0这一项跟材料内部无光照下的本征载流子浓度有关，并且随着温度T的改变会更剧烈的变化。IL近似可以理解为短路电流。所以我们也就知道了Voc会更依赖材料体系内部的载流子浓度和复合。

说到载流子的复合，我们要尽可能的转移和提取载流子，这样可以提升光电流降低暗饱和电流。这就对钙钛矿和载流子传输层的能级匹配还有界面缺陷提出了要求。当然我个人看法，能级匹配是最重要的。现在很多文章喜欢用准费米能级分裂QFLS这个数字来评估开路电压的损失，我就觉得很好。

3. 填充因子（FF）

填充因子这个指标呢，根据上面的近似公式可以很清楚的看到，它跟“开路电压”关系很大。通常来说开路电压越大，填充因子也会更大。所以载流子复合对填充因子影响很大。但为什么一开始说开路电压我打了引号，因为公式这里是voc，小写的v，也就是归一化的开路电压，它与理想二极管系数有一个负相关的关系。

展开说这个载流子复合，我们就需要研究载流子复合的机理。比如说缺陷的复合，比如说是那种载流子主导的复合。如果只是minor载流子引起的复合比如说Shockley-Read-Hall(SRH)复合或者价带到导带的复合，那理想二极管系数会更靠近1，FF较高；而如果是两种载流子共同引起的，比如说缺陷引起的，尤其缺陷在带隙间，那么理想二极管系数会迫近2，那么归一化开路电压会下降，FF会下降。

大概就是这样，未来很多东西会往深了写，不过目前来看，应该够你们消化，然后入个门了。