新的太阳能电池分析模型显著提升了薄膜光伏器件的效率

研究人员开发了一种新的分析模型，提高了对薄膜光伏（PV）器件的理解和效率，挑战了长期存在的肖克利二极管方程。他们的发现阐明了这些灵活、低成本的太阳能电池如何通过平衡电力收集和最小化电荷重组损失来实现更高的效率。

斯旺西大学和Åbo阿卡德米大学的物理学家通过创建一种新的分析模型，在太阳能电池技术方面取得了重大进展。该模型提高了人们对薄膜光伏器件的理解和效率。

近80年来，所谓的肖克利二极管方程解释了电流如何流经太阳能电池：为你的家供电或给电池组充电的电流。然而，这项新研究挑战了对下一代太阳能电池的传统理解，即薄膜太阳能电池。

这些由柔性、低成本材料制成的薄膜太阳能电池，由于现有的分析模型无法完全解释的因素，效率有限。

这项新研究揭示了这些太阳能电池如何达到最佳效率。它揭示了在收集光产生的电力和最小化重组造成的损失之间的关键平衡，在重组中电荷相互抵消。

“我们的发现为低移动性光伏设备驱动和限制电荷收集的机制，以及最终的功率转换效率提供了关键的见解，”该研究的主要作者、芬兰Åbo学术大学的奥斯卡·桑德伯格博士说。

新模型捕捉到缺失的部分

以前这些太阳能电池的分析模型有一个盲点：“注入载流子” —— 从触点进入设备的电荷。这些载流子显著影响重组和限制效率。

“传统的模型并没有捕捉到整个画面，特别是对于这些低迁移率半导体的薄膜电池，”首席研究员，斯旺西大学的副教授阿尔达兰·阿明（Ardalan Armin）解释说。“我们的新研究通过引入一个新的二极管方程来解决这一差距，该方程专门用于解释这些关键的注入载流子及其与那些光产生的载流子的重组。”

桑德伯格博士补充说：“在传统的太阳能电池中，注入电荷和光生电荷之间的重组不是一个大问题，比如硅光伏电池，它比下一代薄膜光伏电池（如有机太阳能电池）厚数百倍。”

阿明副教授说道：“沃尔夫冈·泡利是有史以来最聪明的理论物理学家之一，他曾经说过‘上帝创造了主体；表面是魔鬼的作品’。由于薄膜太阳能电池的每块界面区域比传统硅要大得多；难怪为什么它们会受到“魔鬼的工作”的影响更大 —— 即宝贵的光生电荷与界面附近注入的电荷的重组！”

对未来太阳能电池发展的影响

这个新模型为设计更高效的薄太阳能电池和光电探测器、优化现有设备和分析材料特性提供了一个新的框架。它还可以帮助训练用于设备优化的机器，标志着下一代薄膜太阳能电池的发展向前迈出了重要一步。

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