[論文レビュー] Highly efficient light management for perovskite solar cells

Donglin Wang, Huijuan Cui+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2015

Perovskite Materials and Applications参考文献 43被引用数 15

ひとこと要約

本論文では、光吸収の効率を高めるために、スロット加工されたおよび逆ピラミッド構造を有するSiO2層を用いた、ペロブスカイト太陽電池における高効率な光管理戦略を提案している。また、寄生吸収を低減する優れた透明導電酸化物（TCO）を組み合わせることで、変換効率と入射角耐性の両方を顕著に向上させている。この手法は、高性能なペロブスカイト光電素子実現への有望な道筋を示している。

ABSTRACT

Organic-inorganic halide perovskite solar cells have enormous potential to impact the existing photovoltaic industry. As realizing a higher conversion efficiency of the solar cell is still the most crucial task, a great number of schemes were proposed to minimize the carrier loss by optimizing the electrical properties of the perovskite solar cells. Here, we focus on another significant aspect that is to minimize the light loss by optimizing the light management to gain a high efficiency for perovskite solar cells. In our scheme, the slotted and inverted prism structured SiO2 layers are adopted to trap more light into the solar cells, and a better transparent conducting oxide layer is employed to reduce the parasitic absorption. For such an implementation, the efficiency and the serviceable angle of the perovskite solar cell can be promoted impressively. This proposal would shed new light on developing the high-performance perovskite solar cells.

研究の動機と目的

• 高効率化の障害要因であるペロブスカイト太陽電池における光損失を解消すること。
• 電気的特性の最適化に依存せず、光学的設計に焦点を当てることで、光収集を向上させること。
• 高度な光管理を用いて、ペロブスカイト太陽電池の変換効率と入射角応答性の両方を向上させること。
• SiO2ナノ構造と改善された透明導電酸化物を組み合わせたスケーラブルな光学的アーキテクチャの開発

提案手法

• 著者らは、広帯域のアンチリフレクション効果と回折効果を活用して、光の結合と捕集を向上させるために、ペロブスカイト太陽電池の前面にスロット加工されたおよび逆ピラミッド構造を有するSiO2層を実装した。
• 高い性能を示す透明導電酸化物（TCO）層を統合し、寄生吸収を最小限に抑えつつ優れた電気的導電性を維持した。
• 周期的ナノ構造を活用してガイドモードや共鳴キャビティ効果を励起し、ペロブスカイト層内での有効な光路長を延長した。
• 有限差分時間法（FDTD）シミュレーションを用いて、さまざまな入射角および波長における光吸収の増幅をモデル化・最適化した。
• 太陽スペクトル全体、特に可視光および近赤外領域において高い透過率と低い反射率を維持するように設計した。
• ナノ構造を有するSiO2と最適化されたTCOの統合をシミュレーションし、吸収および効率の向上を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気的特性の最適化に依存せず、どのようにしてペロブスカイト太陽電池における光捕集を向上させることができるか？
• RQ2 SiO2のどのナノ構造幾何学的形状が最も効果的な広帯域光管理を実現するか？
• RQ3 高品質なTCOは、電気的性能を維持したまま、どれほど寄生吸収を低減できるか？
• RQ4 提案された設計は、日光の非垂直入射に対してどのように入射角耐性を向上させるか？
• RQ5 この光学的および電気的設計の統合によって、理論的に達成可能な最大変換効率の向上幅はどの程度か？

主な発見

• スロット加工されたおよび逆ピラミッド構造を有するSiO2層は、ペロブスカイト層内の有効光路長を顕著に延長し、光捕集を著しく向上させた。
• 最適化された透明導電酸化物層は、寄生吸収を低減し、活性層における光起電力生成に寄与する光子をより多く保持した。
• 提案された設計は、吸収特性と入射角応答性の両方を向上させることで、ペロブスカイト太陽電池の変換効率を向上させた。
• シミュレーションでは、特に600 nm以上の波長域において、可視光および近赤外領域で吸収が顕著に向上した。
• デバイスの入射角耐性が拡張され、非垂直入射の日光下でも安定した性能を示した。
• 全体として、高度な光学的設計によって、高効率ペロブスカイト太陽電池の実現に向けた実現可能な道筋を示した。