[論文レビュー] Contactless Series Resistance Imaging of Perovskite Solar Cells via Inhomogeneous Illumination

Arman Mahboubi Soufiani, Yan Zhu+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2021

Perovskite Materials and Applications参考文献 56被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、不均一な照照明を用いてペロブスカイト太陽電池における有効直列抵抗（Rs）をマッピングする非接触型光励起画像化手法を提案する。照照明領域と非照照明領域を交互に形成することで、電気的接触を必要とせず電流抽出と発光検出が可能となり、電気的接触なしに高Rs領域の定性的同定が可能である。接触型測定と比較した妥当性の検証および、スケーリング段階のデバイス評価やタンドムセルのサブセル分析への応用が可能である。

ABSTRACT

A contactless effective series resistance imaging method for large area perovskite solar cells that is based on photoluminescence imaging with non-uniform illumination is introduced and demonstrated experimentally. The proposed technique is applicable to partially and fully processed perovskite solar cells if laterally conductive layers are present. The capability of the proposed contactless method to detect features with high effective series resistance is validated by comparison with various contacted mode luminescence imaging techniques. The method can reliably provide information regarding the severeness of the detected series resistance through photo-excitation pattern manipulation. Application of the method to sub-cells in monolithic tandem devices, without the need for electrical contacting the terminals, appears feasible.

研究の動機と目的

• 接触型手法の限界を克服するため、ペロブスカイト太陽電池における有効直列抵抗（Rs）の非接触画像化手法の開発を目的とする。
• 完全なメタライゼーションの前におけるペロブスカイトデバイスの早期段階評価を可能とし、スケーリング段階でのプロセス最適化を支援することを目的とする。
• 電気端子や金属接触を必要とせず、異なるRsの深刻度を有する領域を区別できることを目的とする。
• 接触型測定と比較して、接触型モードの光励起画像化（電流抽出あり）と照合する非接触手法の妥当性を検証することを目的とする。
• モノリシックペロブスカイトタンドム太陽電池のサブセル非接触評価の可能性を検討することを目的とする。

提案手法

• デジタルマイクロミラー素子（DMD）を用いて空間的に不均一な光励起パターンを印加し、ペロブスカイト太陽電池全体に照照明領域と非照照明領域を交互に形成する。
• 照照明領域では、横方向のバランス電流が非接触電流抽出を駆動し、PLCE_contactless画像が得られる。
• 非照照明領域では、励起がないため、内蔵電位の影響で非接触電荷励起（EL_contactless）画像が得られる。
• 照照明領域と非照照明領域の発光強度の差を用いて、有効直列抵抗（ΔVs）に比例する電圧降下を推定する。
• 本手法は、電荷輸送層の横方向導電性に依存し、デバイス全体にわたる電流バランスを可能にする。
• 得られた発光パターンの画像処理により、有効Rs分布の定性的マップが得られる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不均一な照照明を用いることで、電気的接触なしにペロブスカイト太陽電池における有効直列抵抗（Rs）を画像化できるか？
• RQ2 非接触モードにおける異なる電流抽出条件の下で、Rsの深刻度と発光強度の変化の相関関係は何か？
• RQ3 接触型測定による確認を得た場合、非接触手法は高Rs領域と低Rs領域を信頼性高く検出・区別できるか？
• RQ4 本手法は、製造段階で部分的に処理済みまたはメタライゼーションされていないペロブスカイトデバイスへどの程度適用可能か？
• RQ5 本手法は、モノリシックペロブスカイトタンドム太陽電池のサブセル非接触評価に適しているか？

主な発見

• 非接触手法は、照照明の空間的変調を用いて高有効直列抵抗（Rs）領域を効果的に同定でき、接触型モードの光励起画像化（電流抽出あり）と整合性のある結果を得た。
• 電流抽出が増加するにつれて、絶対値が小さいRsの特徴は発光画像から消失するが、高Rs領域は依然として可視であり、定性的な深刻度評価が可能である。
• 本手法により、メタライゼーションが施されていないデバイスにおけるRsに影響を受ける領域の検出が可能となり、スケーリング段階でのプロセス最適化を支援する。
• 接触型画像と非接触型画像を、異なる端子電圧で取得した接触型モードPLCE画像と比較することで、特徴の可視性において一致を確認した。
• 本手法により、電気的接触なしにモノリシックタンドム太陽電池におけるRsおよび仮想オープン・カircuit電圧（iVOC）の非破壊的、非接触的マッピングが可能となり、サブセル全体の評価が可能である。
• 本手法は、横方向に導電性を示す輸送層が存在する限り、部分的に処理済みおよび完全に処理済みのペロブスカイト太陽電池に適用可能である。