[論文レビュー] State-of-the-Art Perovskite Solar Cells Benefit from Photon Recycling at Maximum Power Point

Roberto Brenes, Madeleine Laitz+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2019

Perovskite Materials and Applications参考文献 55被引用数 67

ひとこと要約

本研究では、光子再利用が最大出力ポイント（MPP）における最新のペロブスカイト太陽電池の性能を顕著に向上させることを示しており、非放射再結合率が低く、外部電気ルミネッセンス効率が10%を超える場合に特に顕著である。光子再利用により、MPPにおける電圧（VMPP）が77 mV上昇し、これが2.0%の絶対的効率上昇（PCE）に寄与すると予測される。また、MPPにおける光子再利用の利点は、オープン・サーキット条件下よりも顕著であることが判明した。

ABSTRACT

Photon recycling is required for a solar cell to achieve an open-circuit voltage ($V_{OC}$) and power conversion efficiency (PCE) approaching the Shockley-Queisser theoretical limit. In metal halide perovskite solar cells, the achievable performance gains from photon recycling remain uncertain due to high variability in perovskite material quality and the non-radiative recombination rate ($k_{1}$). In this work, we study state-of-the-art $ extrm{Cs}_{0.05}( extrm{MA}_{0.17} extrm{FA}_{0.83})_{0.95} extrm{Pb}( extrm{I}_{0.83} extrm{Br}_{0.17})_{3}$ films and analyze the impact of varying non-radiative recombination rates on photon recycling and device performance. Importantly, we predict the impact of photon recycling at the maximum power point (MPP), demonstrating an absolute PCE increase of up to 2.0% in the radiative limit, primarily due to a 77 mV increase in $V_{MPP}$. Even with finite non-radiative recombination, benefits from photon recycling can be achieved when non-radiative lifetimes and external LED electroluminescence efficiencies measured at open-circuit, $Q_{e}^{LED}( extrm{V}_{OC})$, exceed 2 $\mu$s and 10%, respectively. This analysis clarifies the opportunity to fully exploit photon recycling to push the real-world performance of perovskite solar cells toward theoretical limits.

研究の動機と目的

• 実運用条件下における最大出力ポイント（MPP）でのペロブスカイト太陽電池に対する光子再利用の実用的影響を特定すること。
• 光子再利用による顕著な性能向上を実現するための材料品質の閾値（具体的には非放射再結合率（k1）および外部電気ルミネッセンス効率（Q_LED））を同定すること。
• 高品質なペロブスカイト膜が、特にMPP動作時（オープン・サーキット時よりもキャリア密度が低い状態）において、光子再利用によって有意義な効率向上を達成できるかどうかの不確実性を解消すること。

提案手法

• Cs0.05(MA0.17FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3ペロブスカイト膜の実験的測定値に基づく吸収係数および屈折率データを用いた詳細なバランスモデルを採用した。
• 内部再結合率（J_rad,int）および外部再結合率（J_rad,ext）を用いて、光子再利用有り・無しの両状態における放射的飽和電流（J_rad）を計算した。
• 光熱歪み分光法（PDS）および分光的屈折率測定法を用いて、エネルギー依存の吸収係数および屈折率を特定した。
• 非放射再結合率（k1）および光子脱出確率（P_esc）を変化させた条件下で、光子再利用有り・無しのJ-V曲線をシミュレートし、性能を比較した。
• 光子再利用がVMPP、VOC、充填率（FF）、内部サンズ、電気ルミネッセンス効率（Q_LED）といった主要パラメータに与える影響を定量化した。
• 性能の閾値を定義：光子再利用の利点は、k1 < 2×10^4 s⁻¹かつQ_LED(V_OC) > 10%の条件下で顕著に現れ、k1 < 5×10³ s⁻¹の範囲で最適な向上が得られる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャリア密度がオープン・サーキット時よりも低いMPP条件下で、光子再利用がペロブスカイト太陽電池に測定可能な性能向上をもたらすか？
• RQ2 MPPにおけるPCEの顕著な上昇を実現するための、材料品質の重要な閾値（k1およびQ_LED）は何か？
• RQ3 MPPにおける光子再利用による電圧上昇は、オープン・サーキット時と比べてどの程度顕著であり、どのような条件下でMPPの利点がより顕著になるか？
• RQ4 k1が低下するに従って、MPPにおける充填率（FF）および内部キャリア密度に光子再利用がどのように寄与するか？特にk1が低下する場合の影響を評価する。
• RQ5 高品質なペロブスカイトにおいて理論的に期待される光子再利用の利点は、実際のデバイス動作でも実現可能か？その主な制限要因は何か？

主な発見

• 光子再利用により、放射的極限状態において最大出力ポイント電圧（VMPP）が最大77 mV上昇し、これが2.0%の絶対的効率上昇（PCE）に寄与すると予測される。
• 非放射再結合率（k1）が約5×10³ s⁻¹未満に低下すると、MPPにおける光子再利用の利点がオープン・サーキット時を上回る。これは、材料品質が高い状態でMPPの利点が顕著になることを示している。
• 実際のデバイスで測定可能な光子再利用の利点を得るためには、オープン・サーキット時の外部電気ルミネッセンス効率（Q_LED）が10%以上であり、非放射再結合寿命が2 µsを超える必要がある。
• k1 < 2×10⁴ s⁻¹の条件下では、MPPで放射再結合が非放射再結合を上回り、光子再利用有りの状態でより高い充填率（FF）が得られる。
• 放射再結合率と非放射再結合率の比（k2N²/k1N）がVMPPで70 mVの電圧上昇を示す段階で約10に達する。これは性能向上の臨界閾値を示している。
• 本研究では、内部蛍光量子収率（PLQE）が90%以上で欠陥密度が低いペロブスカイト膜が、特に効率的な光抽出と組み合わせることで光子再利用の利点を活用可能であると特定した。