[論文レビュー] From Dye Sensitized to Perovskite Solar Cells, The Missing Link

So‐Min Yoo, Seog Joon Yoon+4 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2019

Perovskite Materials and Applications参考文献 1被引用数 38

ひとこと要約

本論文は前駆体濃度を制御することにより染料感受性太陽電池のインピーダンスパターンをペロブスカイト太陽電池に結びつけ、輸送と再結合プロセスの観点から PSC のインピーダンスを解釈する等価回路モデルを提供する。

ABSTRACT

Fundamental working mechanisms of perovskite solar cells remain an elusive topic of research. Impedance Spectroscopy (IS) application to perovskite-based devices generates uncommon features and misleading outputs, mainly due to the lack of a stablished model for the interpretation of the results. In this work we control the perovskite precursor concentration to fabricate a series of perovskite-based solar cells with different amounts of perovskite absorber. Low concentration devices present the well-known dye sensitized solar cell (DSSCs) impedance pattern. As the amount of perovskite is increased, the characteristic impedance spectra of thin-film perovskite solar cells (PSCs) arises. This transition is characterized by a change in the working principles, determined by an evolution of the dominant capacitance: from the intermediate frequency chemical capacitance of TiO2 in devices with isolated perovskite domains, to a large low-frequency capacitance signal which divides the spectra in two sections, yet with no direct influence in final device performance. This study allows to link experimentally, in terms of impedance behavior, PSCs with the rest of solar cell devices via DSSCs. We observe that it is not possible to assign a single physical origin to the different resistances determined in the impedance spectra except for the series resistance. In contrast, resistive element present contributions from different physical processes, observing a transport-recombination coupling. Based on this analysis we provide an equivalent circuit model to evaluate the impedance pattern of PSCs in terms of the processes directly affecting the final performance (i.e. considering transport-related and recombination-related losses), a crucial tool for further development of perovskite photovoltaics.

研究の動機と目的

• インピーダンス分光法（IS）を用いてペロブスカイト太陽電池の基本的な作動機構を解明する。
• ペロブスカイト前駆体濃度の変化がデバイスのインピーダンスパターンをどのように変えるかを検討する。
• PSC性能に影響する輸送および再結合プロセスに対応するよう、インピーダンス特徴を対応づける等価回路モデルを開発する。

提案手法

• 前駆体濃度を制御して、ペロブスカイト吸収層の量を変化させた一連のペロブスカイト太陽電池を作製する。
• デバイスのインピーダンススペクトルを測定し、DSSC様パターンからPSCパターンへの遷移を観察する。
• ペロブスカイト含有量の増加に伴い、支配的な容量がTiO2関連の化学容量から大きな低周波容量へと進化する様子を分析する。
• インピーダンス応答における輸送関連損失と再結合関連損失を分離する等価回路モデルを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペロブスカイト前駆体濃度は太陽電池のインピーダンススペクトルにどのような影響を与えるか？
• RQ2 DSSC様とPSC領域を横断する統一モデルでPSCのインピーダンスを解釈できるか？
• RQ3 直列抵抗を超えるPSCインピーダンススペクトルの抵抗性要素の物理的起源は何か？
• RQ4 輸送と再結合プロセスはインピーダンス測定にどのように現れ、最終デバイス性能にどう関連するか？

主な発見

• 低ペロブスカイト濃度デバイスはDSSC様インピーダンスパターンを示す。
• ペロブスカイト含有量を増加させるとスペクトルは特徴的なPSCパターンに切り替わり、大きな低周波容量を伴う。
• 支配的な容量はTiO2関連化学容量から大きな低周波信号へと進化し、スペクトルを二つのセクションに分割するが、最終的な性能を直接支配するものではない。
• 抵抗要素には、シリーズ抵抗以外の単一の物理的起源を割り当てることはできず、輸送と再結合の寄与の組み合わせを反映している。
• 輸送関連と再結合関連の損失の観点からインピーダンスを評価する等価回路モデルが提供されている。