[論文レビュー] Integrating transfer matrix method into SCAPS-1D for addressing optical losses and per-layer optical properties in perovskite/Silicon tandem solar cells

Peymaneh Rafieipour, Aminreza Mohandes+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2023

Perovskite Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、SCAPS-1Dに伝搬行列（TM）法を統合し、ペロブスカイト/シリコン二接合太陽電池における各層の光学損失を正確にモデル化することで、発電性能を向上させている。従来のビア・ランベルト法に代えてTM法を採用することで、効率の過大評価を約4%低減し、再結合接合（RJ）層の最適化が可能となり、ITO付着層を用いることでデバイス効率を19.81%から23.10%まで向上させた。

ABSTRACT

SCAPS-1D software ignores optical losses and recombination junction (RJ) layer in studying tandem solar cells (TSCs). This paper presents an optoelectronic study of a perovskite/Silicon TSC, comparing the effects of using two different methods of calculating filtered spectra on the photovoltaic performance parameters of tandem device. It is shown that integrating transfer matrix (TM) method into SCAPS-1D addresses per-layer optical losses and provides a platform for optimizing the RJ layer in TSCs. Using Beer-Lambert (BL) method for calculating the filtered spectra transmitted from the perovskite top sub-cell is revealed to overestimate the cell efficiency by ~4%, due to its inability to fully address optical losses. Also, the BL method fails to tackle any issues regarding optical improvement through ITO ad-layer on the RJ. Using TM formalism, the efficiency of the proposed perovskite/Silicon TSC is shown to be increased from 19.81% to 23.10%, by introducing the ITO ad-layer on the RJ. It is the first time that the effect of filtered spectrum calculation method is clearly investigated in simulating TSCs with SCAPS-1D. The results pave the way to introduce the optical loss effects in SCAPS-1D and demonstrate that the BL method that has been used before needs to be revised.

研究の動機と目的

• SCAPS-1Dにおける二接合太陽電池のシミュレーションにおいて、長年にわたり無視されてきた光学損失および各層の光学的特性の欠落を是正すること。
• 特にビア・ランベルト（BL）法と伝搬行列（TM）法の2つの異なるフィルタードスペクトル計算手法が、発電性能指標に与える影響を評価すること。
• TM法をSCAPS-1Dに統合することで、ペロブスカイト/シリコン二接合デバイスにおける光学現象の正確なモデル化が可能であることを実証し、その利点を示すこと。
• 再結合接合におけるITO付着層が光学透過性および全体的なデバイス効率に与える影響を調査すること。

提案手法

• 伝搬行列（TM）法をSCAPS-1Dに実装し、ペロブスカイト/シリコン二接合太陽電池構造の各層における光学透過率、反射率、吸収率をモデル化した。
• TM形式は干渉効果および各層固有の光学的特性を考慮し、デバイススタックを通過するフィルタードスペクトルの正確な計算を可能にした。
• 比較のためのベースラインとして、干渉やマルチレイヤー光学結合を考慮しない指数関数的減衰を仮定するビア・ランベルト（BL）法を用いた。
• 標準的なペロブスカイト/シリコン二接合セルに再結合接合（RJ）層を含め、光学強化のためのITO付着層を有する構造に適用した。
• 屈折率および消散係数といった光学パラメータを、実験データまたは文献値に基づいて各層に割り当てた。
• 短絡電流密度（Jsc）、開回路電圧（Voc）、フォールドファクター（FF）、および効率といった発電性能指標を、BL法とTM法の両方で抽出し、比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィルタードスペクトル計算手法の選択（ビア・ランベルト対伝搬行列）が、SCAPS-1Dにおけるペロブスカイト/シリコン二接合太陽電池のシミュレート効率にどのように影響するか？
• RQ2 ビア・ランベルト法が、光学損失を正確にモデル化できないため、デバイス効率をどの程度過大評価しているか？
• RQ3 TM法をSCAPS-1Dに統合することで、光学透過性の向上を図る再結合接合層の最適化が実際に可能になるか？
• RQ4 再結合接合にITO付着層を追加することで、二接合セル全体の光学的および電気的性能にどのような影響を与えるか？
• RQ5 TMベースのシミュレーションは、従来のシミュレーションで無視されていた、顕著にデバイス性能に影響を与える光学損失を明らかにしているか？

主な発見

• ビア・ランベルト法は、干渉効果や各層の光学損失を正しくモデル化できないため、二接合セルの効率を約4%過大評価している。
• 伝搬行列法は、ペロブスカイト上部セルおよび再結合接合における光学損失が顕著であり、従来のSCAPS-1Dシミュレーションで著しく低く見積もられていたことを明らかにした。
• TM法を用いる場合、再結合接合にITO付着層を追加することで、デバイス効率を19.81%から23.10%まで向上させることができた。これは、正確な光学モデル化の重要性を示している。
• TM法は、ナノ構造化またはドーピング処理された層（例：ITO）による光学的改善を正確に評価可能であり、これに対してビア・ランベルト法はその影響を捉えられていない。
• 本研究は、SCAPS-1Dにおける二接合太陽電池のシミュレーションにおいて、BL法とTM法の直接比較を初めて実施した。その結果、BL法は信頼できるシミュレーションを行うために見直しが必要であることが立証された。
• TM法をSCAPS-1Dに統合することで、ペロブスカイト/シリコン二接合太陽電池における光学設計最適化のための堅牢なプラットフォームが提供された。