[論文レビュー] Pathways towards 30% efficient perovskite solar cells

Jonas Diekmann, Pietro Caprioglio+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2019

Perovskite Materials and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、実験的に妥当なパラメータ（10 µsのバルク寿命、100 cm/sの界面再結合速度、1.47 eVのバンドギャップ、95%のEQEを含む）のもとで、高濃度ドーピング（10^19 cm⁻³）の厚い輸送層または自己集合単層のような超薄膜ドーピングなし層を用いて、内因電位（V_BI）を最適化することで、ペロブスカイト太陽電池が最大31%の変換効率に達できることを示している。

ABSTRACT

Perovskite semiconductors have demonstrated outstanding external luminescence quantum yields, therefore potentially allowing power conversion efficiencies (PCE) close to the thermodynamic limits. However, the precise conditions that are required to advance to an efficiency regime above monocrystalline silicon cells are not well understood. In this work, we establish a simulation model that well describes efficient p-i-n type perovskite solar cells (PCE~20%) and a range of different experiments helping to quantify the efficiency-limiting processes in state-of-the-art devices. Based on these results, we studied the role of important device and material parameters with a particular focus on chemical doping, carrier mobilities, energy level alignment and the built-in potential (V_BI) across all stack layers. We demonstrate that an efficiency regime of 30% can be unlocked by optimizing the built-in potential across the perovskite layer by using either highly doped (10^19 cm-3) thick transport layers (TLs) or ultrathin undoped TLs, e.g. self-assembled monolayers. Importantly, we only consider parameters that have been already demonstrated in recent literature, that is a bulk lifetime of 10 us, interfacial recombination velocities of 100 cm/s, a perovskite bandgap (E_gap) of 1.47 eV and an EQE of 95%. A maximum efficiency of 31% is obtained for a bandgap of 1.4 eV using doped TLs. The results of this paper promise continuous PCE improvements until perovskites may become the most efficient single-junction solar cell technology in the near future.

研究の動機と目的

• 最新のp-i-n型ペロブスカイト太陽電池における効率を制限する主なプロセスを特定すること。
• ペロブスカイト太陽電池で30%を超える変換効率を達成するために必要な条件を同定すること。
• 化学的ドーピング、キャリア移動度、エネルギー準位の整合性、内因電位などのデバイスおよび材料パラメータが効率に与える影響を評価すること。
• 実験的に確認済みのパラメータのみを用いて30%の効率に至る実用的道筋を提案すること。
• 高効率ペロブスカイトデバイス（PCE ~20%）の実験データを正確に反映するシミュレーションモデルを確立すること。

提案手法

• 高効率p-i-n型ペロブスカイト太陽電池（PCE ~20%）の実験データにキャリブレーションされた包括的なシミュレーションモデルの構築。
• 化学的ドーピング濃度（最大10^19 cm⁻³）、キャリア移動度、エネルギー準位の整合性、内因電位（V_BI）といった主要パラメータの体系的変動。
• ペロブスカイトのバンドギャップ（1.47 eV）、外部量子効率（EQE）95%、界面再結合速度100 cm/sを組み込んだデバイスモデルの使用。
• 2種類の異なる輸送層（TL）構造の評価：厚い高濃度ドーピングTLと超薄膜ドーピングなしTL（例：自己集合単層）。
• すべての積層層におけるV_BIの定量的分析を通じて、その効率最大化に果たす役割の特定。
• 単接続太陽電池の熱力学的限界に近づくためにバンドギャップを1.4 eVに最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の最新のペロブスカイト太陽電池における主な効率制限要因は何ですか？
• RQ2 ペロブスカイト層における内因電位（V_BI）は変換効率にどのように影響しますか？
• RQ3 実験的に確認済みの材料およびデバイスパラメータのみを用いて30%の効率を達成できますか？
• RQ4 高濃度ドーピングされた厚い層と超薄膜ドーピングなし層のどちらの輸送層設計が、V_BIおよび効率をより効果的に向上させますか？
• RQ5 現実的なデバイス条件下で効率を最大化するために最適なペロブスカイトのバンドギャップは何か？

主な発見

• 高濃度ドーピング（10^19 cm⁻³）の輸送層を用いた場合、ペロブスカイトのバンドギャップを1.4 eVに最適化することで、最大31%の変換効率が予測される。
• ペロブスカイト層における内因電位（V_BI）が効率を決定づける主要因であり、その最適化により30%効率の領域に到達可能である。
• 自己集合単層のような超薄膜ドーピングなし輸送層は、V_BIを向上させるために厚いドーピング付き層の代替として有効であることが示された。
• シミュレーションモデルは、高効率p-i-n型ペロブスカイト太陽電池（PCE ~20%）の実験結果を、妥当なパラメータのもとで正確に再現した。
• バルク寿命10 µs、界面再結合速度100 cm/s、EQE 95%という条件下で、モデルは30%効率の達成可能性を確認した。
• 本研究では、最近の文献ですでに実証済みのパラメータのみを用いて30%効率への明確な道筋を特定した。これは、近い将来における実用的実現可能性を示唆している。