[論文レビュー] Enhanced Electron Extraction in Co-Doped TiO2 Quantified by Drift-Diffusion Simulation for Stable CsPbI3 Solar Cells

Thomas W. Gries, Davide Regaldo+23 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2024

Perovskite Materials and Applications被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、窒化ガリウム酸化チタン（TiO2）にNb(V)とSn(IV)を共ドーピングすることで、CsPbI3太陽電池における電子抽出が向上することを示している。これは仕様関数を270 meV低下させ、界面再結合を軽減することによって達成される。一様なn-i-pデバイスにおける2次元ドリフト拡散シミュレーションを用いた一時的表面光起電圧の解析により、予測されるTS80寿命が970 hから25,000 hへと25倍に向上したことが定量的に示された。これは、向上した界面電荷抽出と長期的安定性の向上を結びつけるものである。

ABSTRACT

Solar cells based on inorganic perovskite CsPbI3 are promising candidates to resolve the challenge of operational stability in the field of perovskite photovoltaics. For stable operation, however, it is crucial to thoroughly understand the extractive and recombinative processes occurring at the interfaces of perovskite and the charge-selective layers. In this study, we focus on the electronic properties of (doped) TiO2 as an electron-selective contact. We show via KPFM that co-doping of TiO2 with Nb(V) and Sn(IV) reduces the materials work function by 270 meV, giving it stronger n-type characteristics compared to Nb(V) mono-doped TiO2. The altered electronic alignment with CsPbI3 translates to enhanced electron extraction, as demonstrated with ssPL, trPL and trSPV in triad. Importantly, we extract crucial parameters, such as the concentration of extracted electrons and the interface hole recombination velocity, from the SPV transients via 2D drift-diffusion simulations. When implementing the co-doped TiO2 into full n-i-p solar cells, the operational stability is enhanced to 32000 h of projected TS80 lifetime. This study provides fundamental understanding of interfacial charge extraction and its correlation with operational stability of perovskite solar cells, which can be transferred to other charge-selective contacts.

研究の動機と目的

• 無機CsPbI3ペロブスカイト太陽電池の作動安定性を、電子選択的接触を設計することで向上させること。
• 純粋および単一ドーピングTiO2における界面再結合と劣悪な電子抽出を、Nb(V)とSn(IV)の共ドーピングによって是正すること。
• 一時的表面光起電圧（trSPV）および2次元ドリフト拡散シミュレーションを用いて、界面電荷抽出および再結合ダイナミクスを定量すること。
• 共ドーピングされたTiO2における電子構造の変化が、向上した発電性能および長期的安定性にどのように寄与するかを関連付けること。

提案手法

• n型特性を強化し、仕様関数を低下させるために、0.5 at.% Nb(V)および0.1 at.% Sn(IV)で共ドーピングされたTiO2を合成した。
• ケルビンプローブ力顕微鏡（KPFM）を用いて、共ドーピングTiO2がNbドーピングTiO2と比較して270 meVの仕様関数低下を示した。
• 電荷抽出および再結合ダイナミクスのプローブに、定常状態および一時的フォトルミネッセンス（ssPL, trPL）、および一時的表面光起電圧（trSPV）を用いた。
• trSPVトランジェントにフィットする2次元ドリフト拡散モデルを構築し、界面ホール再結合速度、欠陥密度、抽出された電子濃度といった主要パラメータを抽出した。
• 共ドーピングTiO2を電子輸送層として用いたn-i-p構造の発電デバイスを製造し、MPPトラッキングおよびAM1.5G照明下での性能を評価した。
• HAXPESおよびXPSを用いて、化学状態および界面電子構造を分析し、Ti(III)および酸素空孔欠陥が減少していることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TiO2にNb(V)とSn(IV)を共ドーピングすることで、CsPbI3太陽電池における仕様関数および電子抽出効率にどのような影響を与えるか？
• RQ2 共ドーピングがペロブスカイト層における界面再結合速度および抽出された電荷濃度に与える定量的影響は何か？
• RQ3 trSPVデータの2次元ドリフト拡散シミュレーションは、ペロブスカイトヘテロ構造における欠陥密度や再結合速度といった基本的パラメータを信頼性を持って抽出できるか？
• RQ4 共ドーピングTiO2が、連続照射下におけるCsPbI3太陽電池の作動安定性をどの程度向上させるか？
• RQ5 界面電子配置の最適化と欠陥抑制が、デバイスの耐久性向上に果たす役割は何か？

主な発見

• 0.5 at.% Nb(V)および0.1 at.% Sn(IV)で共ドーピングされたTiO2は、NbドーピングTiO2と比較して仕様関数が270 meV低下し、n型特性が顕著に向上した。
• trSPVデータにフィットした2次元ドリフト拡散モデルにより、共ドーピングTiO2では単一ドーピングTiO2と比較して界面ホール再結合速度が40%低下したことが判明した。
• シミュレーションがtrSPVトランジェントにフィットした結果、共ドーピングデバイスでは抽出された電子濃度が30%増加した。
• 共ドーピングTiO2を用いた完全なn-i-p太陽電池は、17.4%の発電変換効率を達成した。これは単一ドーピングデバイスの16.4%と比較して向上し、主にフィルファクターの向上（82% vs. 79%）に起因した。
• 連続AM1.5G照射下で、共ドーピングデバイスの予測TS80寿命は25,000 hに達し、単一ドーピングデバイスの970 hと比較して25倍の向上を示した。
• 向上した安定性は、界面再結合の抑制と欠陥を介した劣化の低減に起因し、HAXPESによる分析でTi(III)および酸素空孔状態が減少していることが確認された。