Suns–Voc 教程：从 Voc 测量中提取复合与理想因子

简介

Suns–Voc（也写作 Sun–Voc）是一种广泛使用的太阳能电池表征方法，尤其适用于钙钛矿、有机 以及其他新兴薄膜技术。该技术测量器件的开路电压（Voc）随照明强度（Suns）变化的关系。 通过逐步改变入射光照水平并记录得到的 Voc，我们获得一条 Voc(Suns) 曲线，从而揭示 关于复合与器件物理的基础信息。

在最基本层面，Voc 随光强的对数变化而变化。 根据二极管方程， \[ V_\text{oc} = \frac{n k_\text{B} T}{q} \ln\!\left(\frac{J_\text{sc}}{J_0} + 1\right), \] 其中 \(n\) 为二极管理想因子，\(J_\text{sc}\) 为与产生率成正比的短路电流密度，\(J_0\) 为饱和电流。 因此，将 Voc 与光强作图可以直接提取 理想因子， 该因子指示主导复合机制：接近 1 的取值表明带间（辐射）复合占主导， 而接近 2 的取值表明陷阱辅助的 Shockley–Read–Hall 复合占主导。 介于其间或随电压变化的取值则表明存在多种过程的混合。

Suns–Voc 分析还可用于估计 伪填充因子， 并将电阻损失与复合损失分离。由于测量在开路条件下进行， 串联电阻与输运瓶颈作用很小；该技术将复合效应与输运效应隔离开来。 这使得 Suns–Voc 对于识别器件效率低是由输运限制（例如迁移率、接触电阻） 还是由复合物理所致尤其有效。

在实践中，该流程很直接：模拟器（或实验）在选定范围内扫描照明强度 （例如 0.1–1.1 Suns），并在每一步记录 Voc。 生成的数据（suns_voc.csv）可以绘制为 Voc 随 Suns 的曲线， 并从半对数表示中的斜率提取有效理想因子。进一步分析还可以包括检查高光强下的偏离 （串联电阻、Auger 复合）或低光强下的偏离（漏电、分流、界面复合）。

总体而言，Suns–Voc 为器件的内在复合物理提供了一个清晰窗口， 在很大程度上与串联电阻或输运伪影解耦。 因此，它是钙钛矿与有机太阳能电池的标准诊断方法， 也是 JV 与 SCLC 测量的有价值补充。

步骤 1：新建模拟

在新建模拟窗口中双击 钙钛矿电池 类别 （??）， 然后选择 钙钛矿太阳能电池（MAPI） （??） 并将项目保存到磁盘。尽管本教程使用 MAPI 示例， Suns–Voc 过程适用于任何太阳能电池，因为它只是改变光强并记录得到的 V_oc。

步骤 2：选择模拟模式

保存后，主模拟窗口将打开。通过进入 仿真类型 并点击 Suns–Voc 按钮，将模拟器切换到 Suns–Voc 模式——确保按钮呈按下状态 （??）。 在该模式下运行模拟会生成 Suns–Voc 曲线。

要配置 Suns–Voc 实验，打开 编辑器 功能区并选择 Suns–Voc （此处功能区中未显示）。这将打开配置窗口 （??）， 你可以在其中指定 起始强度、终止强度（以 Suns 为单位） 以及 步进倍率。步进倍率（例如 1.2）在每一步将光强按固定因子增加， 从而在对数尺度上对曲线进行采样，这非常适合 Suns–Voc 分析。 在该示例中，终止强度设置为 1.1 Suns（相对较低，因为模拟通常可扩展到约 10 Suns）， 起始强度略高，但默认值通常足以满足大多数情况。

步骤 3：查看结果

确认设置后，返回主窗口并点击 播放（或按 F9）。 运行完成后，打开 输出 选项卡 （??） 并找到 suns_voc.csv。打开它会生成 Suns 与 V_oc 图 （??）。

至此完成了基本的 Suns–Voc 模拟。你已经了解如何设置一个钙钛矿太阳能电池， 将模拟器切换到 Suns–Voc 模式，并生成特征曲线。 在这一阶段，建议你尝试不同的模拟选项：电学参数的微小变化就可能对 Suns–Voc 曲线的形状与斜率产生很大影响， 正如在真实实验数据中一样。探索这些设置将帮助你更深入地理解 Suns–Voc 能揭示器件中复合过程的哪些信息。