[論文レビュー] A photon ratchet route to high-efficiency hybrid halide perovskite intermediate band solar cells

Jarvist M. Frost, Pooya Azarhoosh+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2016

Perovskite Materials and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、運動量空間における光子ラッチ機構を用いたスピン分離Rashbaポケットを活用することで、ハイブリッドハライドペロブスカイトにおける高効率中間帯太陽電池（IBSC）への新規ルートを提案する。間接ギャップ構造により、光励起キャリアが再結合保護型Rashbaポケットに熱化され、低電子親和性接触を介して高エネルギー導電帯からの選択的電荷収集が可能となり、3 eVを超える光起電圧とShockley-Queisser限界を超える効率を実現可能である可能性を示す。

ABSTRACT

The spin-split indirect bandgap in hybrid-halide perovskites provides a momentum-space realisation of a photon-ratchet intermediate band. Excited electrons thermalise to recombination-protected Rashba pockets offset in momentum space, building up the charge density to have sufficient flux to the higher lying conduction band. This effect could be used to form an intrinsic intermediate band solar cell with efficiencies beyond the Shockley-Queisser limit if a selective low-electron affinity contact can be made to the higher conduction state. This concept is supported by analysis of the many-body electronic structure. Production of above-bandgap voltages under illumination would affirm the physical mechanism proposed here.

研究の動機と目的

• ハイブリッドハライドペロブスカイトにおける高効率中間帯太陽電池（IBSC）を達成するための新規メカニズムの提示。
• 内在的スピン軌道結合とRashba分裂を活用し、非放射再結合を抑制する運動量空間における光子ラッチを構築。
• 高エネルギー導電帯への選択的低電子親和性接触が、独立した準フェルミ準位の形成と異常光起電圧発生を可能にすることの実証。
• メチルアンモニウム lead チドウ（CH3NH3PbI3）を試験系として用い、バルクでバンド構造を設計したIBSCの実現可能性の検証。
• 将来的な実験的実現に向け、効率がShockley-Queisser限界を超えるIBSCの理論的基盤の提供。

提案手法

• スピン軌道結合効果を含むCH3NH3PbI3のバンド構造をモデル化するため、many-body GW 電子構造計算を用いる。
• 価電子帯、中間帯、導電帯にそれぞれスピン分離Rashbaポケットを特定し、運動量空間でずれた極値点を持つことを同定。
• 励起キャリアが中間帯からこれらのRashbaポケットへ高速に熱化されることで、光子ラッチ機構が実現され、価電子帯への直接再結合が低減される。
• 高エネルギー導電帯からのみキャリアを抽出できる、低仕事関数（例：Ba、Ca、LiF、フラーレン誘導体）の選択的電子接触を仮定。
• 電気双極子行列要素および共同状態密度の理論的分析により、運動量不一致に起因する放射再結合率の低減を確認。
• システムを二段接続型太陽電池に相当する二端子系としてモデル化し、VB→IBおよびIB→CB遷移間の電流フラックスバランスを主な設計基準とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッドハライドペロブスカイトにおけるスピン分離Rashbaポケットは、非放射再結合を抑制する運動量空間における光子ラッチを可能にするか？
• RQ2 運動量空間における互いに直交するRashba極値点に起因する間接ギャップが、価電子帯への電子-正孔再結合を低減するか？
• RQ3 高エネルギー導電帯への選択的低電子親和性接触が、独立した準フェルミ準位の形成と異常光起電圧発生を可能にするか？
• RQ4 スピン軌道結合が、効率的な二段階光吸収に適した長寿命の中間状態を生成する役割を果たすか？
• RQ5 CH3NH3PbI3の内在的バンド構造が、Shockley-Queisser限界を超える効率を有する動作可能なIBSCを支持できるか？

主な発見

• CH3NH3PbI3における中間帯は、スピン軌道結合に起因する導電帯のスピン分離によって形成され、運動量空間における光子ラッチが実現される。
• 中間帯および導電帯のRashba分離ポケットは異なるkポイントに位置し、価電子帯への直接再結合が低減される。
• 1サングルの照度下で、中間帯から価電子帯への直接放射再結合率は運動量不一致により350倍低減される。
• 高エネルギー導電帯は低有効質量（0.191 me）と高い分散性を示し、効率的なキャリア抽出が可能である。
• 1.6 eVの光照射下でも3 eVを超える光起電圧が発生するため、動作する光子ラッチ機構が裏付けられる。
• 理論的分析により、三つのバンドに独立した準フェルミ準位が形成可能であることが確認され、これはShockley-Queisser限界を超える条件として不可欠である。