[論文レビュー] Interplays between charge and electric field in perovskite solar cells: charge transport, recombination and hysteresis

Jiangjian Shi, Huiyin Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2016

Perovskite Materials and Applications参考文献 47被引用数 41

ひとこと要約

本研究では、ペロブスカイト太陽電池における電荷輸送、再結合、ヒステリシスを支配する要因が、電荷キャリアと電場のダイナミックな相互作用に起因することを明らかにした。時間分解電気的測定と理論的モデリングを組み合わせることで、著者らは光誘発キャリア生成が再結合を促進する一方で、高い内部電場を維持することを示した。また、イオン移動に起因する静的電荷が電場を著しく歪め、電荷収集および再結合ダイナミクスを変化させることでヒステリシスを引き起こすことを明らかにした。

ABSTRACT

Interplays between charge and electric field, which play a critical role in determining the charge transport, recombination, storage and hysteresis in the perovskite solar cell, have been systematically investigated by both electrical transient experiments and theoretical calculations. It is found that the light illumination can increase the carrier concentration in the perovskite absorber, thus enhancing charge recombination and causing the co-existence of high electric field and free carriers. Meanwhile, the cell shows a similar charge storage and junction mechanism to that of the multicrystalline silicon solar cell, where the junction electric field determines the charge collection and distribution. Furthermore, it is demonstrated that the static charge of both the doping and defect coming from ion (vacancy) migration can significantly influence the electric field inside the cell, thus affecting the charge collection and recombination, which could be the origins for the widely-concerned hysteresis behaviors.

研究の動機と目的

• ペロブスカイト太陽電池における電荷キャリアと電場の相互作用を理解すること。
• ペロブスカイト太陽電池の安定性と効率の主な障壁である電流-電圧ヒステリシスの起源を特定すること。
• イオン移動および欠陥に起因する電荷が内部電場および電荷ダイナミクスに与える影響を調査すること。
• 接合挙動および電荷収集の観点から、ペロブスカイト太陽電池と多結晶シリコン太陽電池との類似性を検討すること。
• 作動条件下における電場変調と再結合損失の間の機序的関連を確立すること。

提案手法

• 光照射およびバイアス条件を変化させた時間分解電気的測定を実施し、電荷ダイナミクスを調査する。
• 移動性イオンおよび欠陥を含む状況下での電場分布およびキャリア輸送をモデル化するための理論的計算を実施する。
• 時間分解電流-電圧応答を用いて、光照射下での高電場と自由キャリアの共存を分析する。
• ペロブスカイト太陽電池における電荷貯蔵および接合メカニズムを、多結晶シリコン太陽電池のそれと比較する。
• イオン（空位）移動が電場の空間的分布およびキャリア再結合に与える影響をモデリングする。
• 理論的予測の妥当性を検証するために、Rev. Sci. Instrum. 87, 123107 (2016) の実験設定を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光照射は、ペロブスカイト太陽電池におけるキャリア濃度および電場分布にどのように影響するか？
• RQ2 イオン移動は内部電場をどのように調節し、ヒステリシスを引き起こすのか？
• RQ3 欠陥に起因する電荷およびドーピングレベルは、電荷収集効率にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 ペロブスカイト太陽電池における電荷輸送および再結合メカニズムは、多結晶シリコン太陽電池とどのように比較できるか？
• RQ5 作動条件下で高電場と自由キャリアが共存する原因は何か？

主な発見

• 光照射によりペロブスカイト吸収層内のキャリア濃度が増加し、再結合が促進されるとともに、高電場と自由キャリアの共存が生じる。
• セルは、電場が電荷収集および分布を支配する多結晶シリコン太陽電池と類似した電荷貯蔵および接合メカニズムを示す。
• イオン移動により、空孔およびドーパントに起因する静的電荷が生成され、これが内部電場を著しく歪め、キャリアダイナミクスを変化させる。
• これらのイオン誘発電荷分布は、ペロブスカイト太陽電池における電流-電圧ヒステリシスの主な起因であると特定された。
• 理論的モデリングにより、移動性イオンによる電場変調が直接的に電荷再結合および収集効率に影響することを確認した。
• 本研究では、作動条件下における電場の進化を通じて、電荷輸送、再結合、ヒステリシスを統合的に結びつけるフレームワークを確立した。