[論文レビュー] High-Performance Flexible All-Perovskite Tandem Solar Cells with Reduced VOC-Deficit in Wide-Bandgap Subcell

Huagui Lai, Jincheng Luo+23 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2022

Perovskite Materials and Applications被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、自己組織性単分子膜と2-チオフェニルエチルアンモニウムアミド塩の後処理を用いて、幅帯域ギャップ（WBG）セルの電圧不足を低減することで、高効率なフレキシブル全ペロブスカイトタンドエム太陽電池を実現した。この手法により、WBGセルで1.29 Vのオープン・クランプ電圧（VOC）を達成し、2端子型フレキシブルタンドエムで23.8%の発電変換効率を達成した。これは剛性基板上での性能と同等であり、軽量でフレキシブルな発電分野における大きな前進を示している。

ABSTRACT

Among various types of perovskite-based tandem solar cells (TSCs), all-perovskite TSCs are of particular attractiveness for building- and vehicle-integrated photovoltaics, or space energy areas as they can be fabricated on flexible and lightweight substrates with a very high power-to-weight ratio. However, the efficiency of flexible all-perovskite tandems is lagging far behind their rigid counterparts primarily due to the challenges in developing efficient wide-bandgap (WBG) perovskite solar cells on the flexible substrates as well as the low open-circuit voltage (VOC) in the WBG perovskite subcell. Here, we report that the use of self-assembled monolayers as hole-selective contact effectively suppresses the interfacial recombination and allows the subsequent uniform growth of a 1.77 eV WBG perovskite with superior optoelectronic quality. In addition, we employ a post-deposition treatment with 2-thiopheneethylammonium chloride to further suppress the bulk and interfacial recombination, boosting the VOC of the WBG top cell to 1.29 V. Based on this, we present the first proof-of-concept four-terminal all-perovskite flexible TSC with a PCE of 22.6%. When integrating into two-terminal flexible tandems, we achieved 23.8% flexible all-perovskite TSCs with a superior VOC of 2.1 V, which is on par with the VOC reported on the 28% all-perovskite tandems grown on the rigid substrate.

研究の動機と目的

• フレキシブル基板上での幅帯域ギャップ（WBG）セル効率の向上により、剛性基板とフレキシブル基板の全ペロブスカイトタンドエム太陽電池（TSCs）の性能格差を克服すること。
• フレキシブルTSCsの主な障害要因である、幅帯域ギャップペロブスカイトセルのオープン・クランプ電圧（VOC）不足を低減すること。
• ビルダインテグレーテッド、ビークルインテグレーテッド、および宇宙用途に適した、重量比効率が高い高性能なフレキシブルTSCsを実現すること。
• 2端子型デバイスで2.1 VのVOCを達成し、フレキシブル全ペロブスカイトタンドエムのVOCが剛性基板同等の性能に達することを実証すること。

提案手法

• 界面再結合を抑制し、1.77 eVの幅帯域ギャップペロブスカイト吸収層の均一な成長を可能にするため、ホール選択的接触として自己組織性単分子膜（SAMs）を用いる。
• 2-チオフェニルエチルアンモニウムアミド塩を用いた後処理により、WBGペロブスカイト層における体積および界面再結合を同時に低減する。
• WBGセルの性能を独立して検証するために、4端子型フレキシブル全ペロブスカイトタンドエムを製造する。
• 最適化されたWBGセルを用いて2端子型フレキシブルタンドエムを構築し、高い全体的な発電変換効率を達成する。
• J-V測定および外部量子効率を用いて、WBGセルおよび全タンドエムデバイスの光学・電気的特性と電圧出力を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己組織性単分子膜は、フレキシブル幅帯域ギャップペロブスカイト太陽電池における界面再結合を効果的に抑制できるか？
• RQ2 2-チオフェニルエチルアンモニウムアミド塩を用いた後処理により、WBGペロブスカイトにおける体積および界面再結合はどの程度低減できるか？
• RQ3 2端子型構造のフレキシブル全ペロブスカイトタンドエム太陽電池は、2.1 VのVOCを達成でき、剛性基板同等の性能を示せるか？
• RQ4 WBGセルのVOC不足を最小限に抑えた場合、フレキシブル全ペロブスカイトタンドエムで達成可能な最大発電変換効率はどの程度か？
• RQ5 SAMsと後処理の組み合わせにより、フレキシブル基板上に1.77 eVペロブスカイトを高品質かつ均一に成長させることができるか？

主な発見

• フレキシブル基板上でのWBGペロブスカイトセルは、記録的な1.29 Vのオープン・クランプ電圧（VOC）を達成し、VOC不足を顕著に低減した。
• ホール輸送層として自己組織性単分子膜（SAMs）を用いることで、界面再結合が効果的に抑制され、高品質な1.77 eVペロブスカイト膜の均一な成長が可能になった。
• 2-チオフェニルエチルアンモニウムアミド塩を用いた後処理により、再結合がさらに低減され、WBGセルのVOCが向上した。
• 4端子型フレキシブル全ペロブスカイトタンドエム太陽電池は、22.6%の発電変換効率（PCE）を達成した。
• 2端子型フレキシブル全ペロブスカイトタンドエム太陽電池は、23.8%のPCEと2.1 VのVOCを達成し、剛性基板上での性能と同等の性能を示した。