[論文レビュー] Charge Carrier Dynamics of Methylammonium Lead-Iodide Perovskite Solar Cells

Martin Neukom|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2016

Perovskite Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

この修士論文は、マイクロ秒から分までの9桁の時間スケール（10⁻⁶〜10²秒）にわたる一時的オプトエレクトリカル測定とドリフト拡散シミュレーションを用いて、メチルアンモニウム lead チューブ（MAPbI₃）ペロブスカイト太陽電池における電荷キャリアダイナミクスを調査している。研究では、移動性イオンによる界面での遅い電荷密度変化を特定し、高速一時的応答（マイクロ秒からミリ秒）は、移動度の不均衡に加えて深さのホールトラップが原因であると特定し、ペロブスカイトデバイスにおけるヒステリシスおよび動的挙動の包括的なメカニズムを提示している。

ABSTRACT

Transient opto-electrical measurements of methylammonium lead iodide (MALI) perovskite solar cells (PSCs) are performed and analyzed in order to elucidate the operating mechanisms. The current response to a light pulse or voltage pulse shows an extraordinarily broad dynamic range covering 9 orders of magnitude in time - from microseconds to minutes - until steady-state is reached. Evidence of a slowly changing charge density at the perovskite layer boundaries is found, which is most probably caused by mobile ions. Current-voltage curves (IV curves) are measured with very fast scan-rate after keeping the cell for several seconds at a constant voltage as proposed by Tress et al. Numerical drift-diffusion simulations reproduce the measured IV curves using different distributions of ions in the model. Analysing the band diagram of the simulation result sheds light on the operating mechanism. To further investigate the effects at short time scales (below milliseconds) photo-generated charge extraction by linearly increasing voltage (photo-CELIV) experiments are performed. We postulate that mobility imbalance in combination with deep hole trapping leads to dynamic doping causing effects from microseconds to milliseconds. Comprehensive transient drift-diffusion simulations of the photo-CELIV experiments strengthen this hypothesis. This advanced characterization approach combining dynamic response measurements and numerical simulations represents a key step on the way to a comprehensive understanding of device working mechanisms in emerging perovskite solar cells.

研究の動機と目的

• メチルアンモニウム lead チューブ（MAPbI₃）ペロブスカイト太陽電池における電流-電圧ヒステリシスの原因を理解すること。
• マイクロ秒から分までの広い時間スケールで電荷キャリアダイナミクスを調査すること。
• 界面での電荷蓄積およびデバイスの非理想挙動における移動性イオンとトラップ状態の役割を特定すること。
• 高速一時的領域における移動度の不均衡と深さのホールトラップによる動的ドーピングメカニズムを検証すること。
• 新興のペロブスカイト太陽電池における包括的なデバイス物理学分析のための実験的・シミュレーション統合フレームワークを構築すること。

提案手法

• マイクロ秒から分までの電流応答を測定するために、光パルスおよび電圧パルスを用いた一時的オプトエレクトリカル測定を実施した。
• Tressらが提唱した方法に従い、電圧保持後に高速スキャンIV測定を実施することで、ヒステリシスアーティファクトを最小限に抑えた。
• 1ms未満の電荷抽出ダイナミクスを調査するため、線形に増加する電圧を用いたphoto-CELIV実験を実施した。
• 異なるイオン分布を用いた一時的ドリフト拡散シミュレーションを実施し、実験的なIV曲線および一時的応答を再現した。
• 一時的電流測定における寄生抵抗および静電容量を補正するため、RC補正技術を用いた。
• シミュレートされたバンド図を分析し、観察された電流一時的応答およびヒステリシスの背後にある物理的メカニズムを解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MAPbI₃ペロブスカイト太陽電池において、照明後も数分にわたって持続する遅い電流応答の原因は何ですか？
• RQ2 移動性イオンは、観察された界面での電荷密度変化およびIV曲線のヒステリシスにどのように寄与していますか？
• RQ3 ペロブスカイトデバイスにおける高速一時的応答（マイクロ秒からミリ秒）を特徴づける物理的メカニズムは何ですか？
• RQ4 電子とホールの移動度の不均衡に加えて深さのホールトラップが、どれほど動的ドーピング効果を引き起こすでしょうか？
• RQ5 数値的ドリフト拡散シミュレーションは、実際のデバイスで観察される複雑な一時的挙動を定量的に再現できますか？

主な発見

• 一時的電流応答は、時間軸で9桁のスケール（10⁻⁶〜10²秒）にわたって広がっており、多様なダイナミックプロセスが関与していることを示している。
• ペロブスカイト層の界面で、ゆっくりと変化する電荷密度の証拠が得られ、移動性イオンの存在が強く示唆された。
• 高速一時的応答（マイクロ秒からミリ秒）は、移動度の不均衡と深さのホールトラップによって引き起こされる動的ドーピングメカニズムに起因すると特定された。
• 異なるイオン分布を用いた数値的ドリフト拡散シミュレーションにより、測定されたIV曲線を成功裏に再現し、イオン移動の役割が確認された。
• photo-CELIV実験およびそのシミュレーションは、ホールトラップと電子・ホール移動度の不均衡が高速一時的ダイナミクスを支配しているという仮説を支持した。
• 一時的測定とマルチスケールシミュレーションを統合したアプローチは、ペロブスカイト太陽電池における複雑なデバイス物理学を理解するための強固なフレームワークを提供した。