[論文レビュー] Removing Leakage and Surface Recombination in Planar Perovskite Solar Cells

Kristofer Tvingstedt, Lidón Gil‐Escrig+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 2019

Perovskite Materials and Applications参考文献 62被引用数 145

ひとこと要約

論文はPEDOT:PSSをpolyarylamineに置換することにより、平面状のplanar methylammonium lead iodide solar cellsにおける leakage (shunt) 損失を三オーダー低減し、低光条件での動作を改善し、表面再結合を低減することを示す。

ABSTRACT

Thin-film solar cells suffer from various types of recombination, of which leakage current usually dominates at lower voltages. Herein, we demonstrate first a three-order reduction of the shunt loss mechanism in planar methylammonium lead iodide perovskite solar cells by replacing the commonly used hole transport layer poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) with a better hole-selective polyarylamine. As a result, these cells exhibit superior operation under reduced light conditions, which we demonstrate for the extreme case of moonlight irradiance, at which open-circuit voltages of 530 mV can still be obtained. By the shunt removal we also observe the VOC to drop to zero after as long as 2 h after the light has been switched off. Second, at higher illumination intensities the dominant losses in the PEDOT:PSS-based cell are ascribed to surface recombination and are also proven to be substantially minimized by instead employing the polyarylamine. We attribute the reduced shunt and surface recombination to the far better suited semiconductor character of the polyarylamine, compared to that of PEDOT:PSS, efficiently blocking electrons from recombining at this electrode.

研究の動機と目的

• 平面型ペロブスカイト太陽電池における leakage/shunt losses を動機付け、定量化する。
• ホール輸送層の選択が再結合とデバイス性能に与える影響を調査する。
• 代替のホール選択層を用いた低照度条件での動作と表面再結合の改善を示す。

提案手法

• 平面MAPbI3太陽電池でPEDOT:PSSをホール選択性のpolyarylamineに置換する。
• 月光レベルの照度を含む低照度下でのデバイス性能を特性評価する。
• ホール輸送層がリーク電流と表面再結合に与える影響を分析する。
• 電極での電子再結合をより効果的に遮断するpolyarylamineの半導体特性に、性能改善の要因を帰属させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平面型ペロブスカイト太陽電池におけるホール輸送層の選択は、リーク/シャント損失にどのように影響するか？
• RQ2 PEDOT:PSSをpolyarylamineに置換することは、さまざまな照度条件下で表面再結合およびリークをどの程度低減できるか？
• RQ3 低照度時および照明がオフされた後の開放電圧に対する、改善されたホール選択性の影響は何か？

主な発見

• PEDOT:PSSをpolyarylamineに置換することで、シャント損失を三オーダー低減した。
• 月光照度下で、開放電圧は最大530 mVに達する。
• シャントの除去により、照明をオフしてから約2時間でVOCがゼロまで低下する（リークの低減を示している）。
• 高照度下での表面再結合損失は、ホール輸送/選択層としてpolyarylamineを用いると大幅に最小化される。
• polyarylamineの半導体特性の改善により、電子が電極で再結合するのをより効果的に遮断する。