[論文レビュー] Efficient all-perovskite tandem solar cells by dual-interface optimisation of vacuum-deposited wide-bandgap perovskite

Yu‐Hsien Chiang, Kyle Frohna+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2022

Perovskite Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、真空蒸着法で作製した幅帯ギャップペロブスカイト（1.76 eV）を用いた2端子全ペロブスカイトタンドエム太陽電池において、24.1%の効率を達成した。二重界面工学として、ホール輸送層にMeO-2PACz自己組織化単分子膜を、非放射再結合を低減するためのエチレニルジアミンジヨウド化物（EDAI₂）ドーピングを採用した。乾燥法による堆積により、制限のない基板選択が可能で、スケーラブルかつ再現性の高いデバイス製造が実現された。

ABSTRACT

Tandem perovskite solar cells beckon as lower cost alternatives to conventional single junction solar cells, with all-perovskite tandem photovoltaic architectures showing power conversion efficiencies up to 26.4%. Solution-processing approaches for the perovskite layers have enabled rapid 2optimization of perovskite solar technologies, but new deposition routes are necessary to enable modularity and scalability, facilitating further efficiency improvements and technology adoption. Here, we utilise a 4-source vacuum deposition method to deposit FA$_{0.7}$ Cs$_{0.3}$Pb(I$_x$Br$_{1-x}$)$_3$ perovskite, where the bandgap is widened through fine control over the halide content. We show how the combined use of a MeO-2PACz self-assembled monolayer as hole transporting material and passivation of the perovskite absorber with ethylenediammonium diiodide reduces non-radiative losses, with this dual-interface treatment resulting in efficiencies of 17.8% in solar cells based on vacuum deposited perovskites with bandgap of 1.76 eV. By similarly passivating a narrow bandgap FA$_{0.75}$Cs$_{0.25}$Pb$_{0.5}$Sn$_{0.5}$I$_3$ perovskite and combining it with sub-cells of evaporated FA$_{0.7}$Cs$_{0.3}$Pb(I$_{0.64}$Br$_{0.36}$)$_3$, we report a 2-terminal all-perovskite tandem solar cell with champion open circuit voltage and power conversion efficiency of 2.06 V and 24.1%, respectively. The implementation of our dry deposition method enables high reproducibility in complex device architectures, opening avenues for modular, scalable multi-junction devices where the substrate choice is unrestricted.

研究の動機と目的

• 幅帯ギャップペロブスカイト吸収層のスケーラブルかつ乾燥法による堆積プロセスを開発し、モジュール型かつ再現性のあるタンドエム太陽電池の製造を可能にする。
• 二重界面工学を用いて、真空蒸着法で作製したペロブスカイト太陽電池における非放射再結合損失を低減する。
• 高い性能を示す全ペロブスカイトタンドエム太陽電池を実現し、開放電圧と効率を向上させる。
• 真空蒸着法がフレキシブルで多様な基板と相性が良いことを実証し、応用可能性を広げる。

提案手法

• 正確なハライド組成制御によりバンドギャップを調整可能なFA₀.₇Cs₀.₃Pb(IₓBr₁₋ₓ)₃ペロブスカイトを、4ソース真空蒸着法で成長させた。
• ホール輸送層としてMeO-2PACz自己組織化単分子膜を適用し、ホール抽出と界面エネルギーレベルの整列を向上させた。
• エチレニルジアミンジヨウド化物（EDAI₂）を用いて、幅帯ギャップペロブスカイトの表面欠陥を修復し、非放射再結合を低減した。
• 修復処理を施した幅帯ギャップサブセルと、狭帯ギャップFA₀.₇₅Cs₀.₂₅Pb₀.₅Sn₀.₅I₃ペロブスカイトサブセルを2端子タンドエム構造で統合した。
• 界面層と電荷輸送を最適化し、電圧損失を最小限に抑え、電流マッチングを最大化した。
• 複数のバッチで再現性テストを実施し、J-V測定とEQE解析を通じてデバイス性能を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真空蒸着法による幅帯ギャップペロブスカイトの堆積は、非放射再結合を最小限に抑え、再現性の高い全ペロブスカイトタンドエム太陽電池の実現を可能にするか？
• RQ2 MeO-2PACzとEDAI₂を用いた二重界面自己修復処理は、真空蒸着法で作製したペロブスカイトデバイスの電荷抽出と出力電圧にどのように影響を与えるか？
• RQ3 真空蒸着法で作製した幅帯ギャップペロブスカイトを用いた2端子全ペロブスカイトタンドエム太陽電池で達成可能な最大効率は何か？
• RQ4 溶液プロセス法と比較して、乾燥法による堆積プロセスは基板の柔軟性とスケーラビリティをどの程度向上させるか？
• RQ5 タンドエム構造は、サブセル間の電流マッチングを維持しながら高い開放電圧を達成できるか？

主な発見

• MeO-2PACzとEDAI₂による二重界面最適化を施した真空蒸着法で作製した幅帯ギャップペロブスカイト（1.76 eV）を用いた単接合太陽電池で、17.8%の効率を達成した。
• 最良の2端子全ペロブスカイトタンドエム太陽電池は、24.1%の効率と2.06 Vの開放電圧を達成した。
• MeO-2PACzホール輸送層とEDAI₂自己修復処理から成る二重界面戦略により、非放射再結合損失が顕著に低減された。
• 真空蒸着法により、高い再現性と多様な基板との相性が得られ、スケーラブルかつモジュール型のデバイス製造が可能になった。
• タンドエムデバイスは、幅帯ギャップと狭帯ギャップサブセル間で優れた電流マッチングを示し、高い電圧と効率に貢献した。
• 乾燥堆積技術の実装により、ペロブスカイトタンドエム太陽電池の産業スケール生産への新たな道筋が開かれた。