近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所王命泰研究员课题组在太阳电池光伏原理及模型研究方面取得重要进展，研究团队发现了CuI基Sb2S3太阳电池中的反常电流-电压特性，并基于“强度依赖空穴聚集壁垒（IDHAB）”和“双源等效电路（TEC）”模型，实验分析和模型拟合相结合，成功揭示了其产生的物理根源。相关研究成果以“Charge Accumulation Effects in Hole-Transporting Materials on Current-Voltage Performance in Solar Cells”为题，发表在The Journal of Physical Chemistry C（J. Phys. Chem. C, DOI: 10.1021/acs.jpcc.5c07716）上。

太阳电池的可持续发展亟需低成本、高稳定性的空穴传输材料（HTM）。Sb2S3作为极具潜力的光吸收层材料受到广泛关注。目前Sb2S3太阳电池中最常用的HTM是spiro-OMeTAD，但其长期稳定性有待提升。而无机HTM（如CuI）虽具有优异稳定性，却因薄膜质量差等原因，导致器件效率长期低于有机HTM基器件，且其性能差异的内在机理尚需进一步明确。

基于此，研究人员通过溶液法可控制备了高性能CuI薄膜，系统比较了CuI和spiro-OMeTAD作为HTM对Sb2S3太阳电池电流-电压（J-V）特性的影响。实验结果显示，两种HTM基器件均实现4-5%的高效转换效率，但CuI基Sb2S3太阳电池表现出反常J-V特性：一是短路电流（Jsc）很高，但开路电压（Voc）和填充因子（FF）显著低于spiro-OMeTAD基器件；二是测量的Jsc与通过外部量子效率计算的Jsc数值存在很大偏差。针对上述反常现象，研究团队基于IDHAB和TEC模型，并结合实验数据，阐明了其物理机制：

（1）CuI层中的光生空穴聚集，形成与固有内建电场方向相反的光生电场（Eph），这直接影响太阳电池的J-V性能，也是反常J-V特性的根源。

（2）依据IDHAB模型，HTM中光生空穴积累会在Sb2S3/HTM界面形成界面势垒（Eh），阻碍空穴从Sb2S3层提取到HTM层，且该势垒效应依赖于光照强度，强光照条件下Eh作用被抵消，而弱光照条件下Eh作用明显。CuI基器件中因空穴迁移率低，在外部量子效率测试的弱入射光照条件下，Eh对界面空穴抽取产生很强的阻碍作用，导致测量与计算的Jsc数值严重不匹配。

（3）基于TEC模型，常规光吸收产生的光生电流（Jph），与空穴聚集产生的光生电流（Jh）形成“双源并联”结构。因CuI基器件中很强的Eh作用催生了强的Jh光电流，使得整个器件的Jsc远大于Jph，但是，但体系内严重的载流子复合，导致FF大幅降低。

（4）HTM层中光生空穴聚集形成的光生电场Eph，削弱了器件的内建电场，最终导致CuI基电池的Voc较低。

该研究的核心创新在于提出IDHAB和TEC两大模型，阐明了CuI基Sb2S3太阳电池反常J-V特性的本质，系统揭示了电荷积累效应对器件性能的影响规律，该成果为HTM材料优化设计提供了新方向，也为高效太阳电池开发提供了新思路。

固体所博士生Faisal Naveed为该论文的第一作者，王命泰研究员为该论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和中国科学院合肥物质科学研究院院长基金等项目的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5c07716

图. Sb2S3太阳电池中存在遵循IDHAB模型和TEC模型的非常态电流-电压特性