[論文レビュー] Two-Terminal Tandem Solar Cells based on Perovskite and Transition Metal Dichalcogenides

Harishankar Suman, Anil Kumar|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2021

Perovskite Materials and Applications被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、メチルアンモニウム lead チオール化物ペロブスカイト（CH₃NH₃PbI₃、Eg = 1.55 eV）をトップセル、ジチオール化モリブデン（MoTe₂、Eg = 1.1 eV）をボトムセルとして用いた二端子（2T）モノリシックタンドム太陽電池を提案する。SCAPS-1Dシミュレーションを用いた結果、AM 1.5G照明下で最大35.3%の発電効率（PCE）を達成し、単接合型ペロブスカイト（26.2%）およびMoTe₂（30.3%）セルを上回り、高効率で柔軟な光電素子としての可能性を示している。

ABSTRACT

Perovskite solar cells have shown power conversion efficiencies (PCE) comparable to cystalline silicon solar cell despite involving low-temperature, solution based synthesis processes outside clean room environment. As the theoretical PCE of a perovskite solar cell with band gap 1.55 eV is capped to 33 % due to Shockley-Queisser limit, tandem configurations are being investigated to go beyond this limit. Here, we propose a two-terminal (2T) tandem solar cell structure consisting of perovskite and multilayer transition metal dichalcogenide as the absorber layers of the top and the bottom subcells, respectively and investigate their performance parameters using Solar Cell Capacitance Simulator-1 Dimension (SCAPS-1D) software package. We demonstrate that the 2T tandem solar cell consisting of CH3NH3PbI3 with band gap 1.55 eV and MoTe2 with bandgap 1.1 eV shows PCE of maximum 35.3 % under AM 1.5 G illumination. This work motivates experimental realization of such solar cells for further investigation.

研究の動機と目的

• ペロブスカイトと遷移金属ジ chalcogenide（TMDC）を吸収体材料として用いた二端子（2T）モノリシックタンドム太陽電池の実現可能性を検討すること。
• 単接合型ペロブスカイト太陽電池のショックリー＝キュイッザー限界（約33%に上限）を超えるために、最適化されたバンドギャップアライメントを有するタンドム構造を設計すること。
• 特に、調整可能なバンドギャップを有する安定的で柔軟なボトム吸収体としてのMoTe₂を焦点に、ペロブスカイト/TMDCタンドゥムセルの性能を評価すること。
• デバイスシミュレーションを用いて、電流密度マッチングと最大発電効率（PCE）を達成するための最適な層厚さを同定すること。
• スケーラブルなロール・トゥ・ロール製造に向けた、このような柔軟で高効率なタンドゥム太陽電池の実験的実現を促進すること。

提案手法

• SCAPS-1D（バージョン 3.3.08）を用いたデバイスシミュレーションにより、単接合型ペロブスカイトおよびMoTe₂太陽電池、および2Tタンドゥム構造をモデル化した。
• フィルタードスペクトル法の適用：トップセルのペロブスカイト吸収層を通過した透過スペクトルを、ボトムセルのMoTe₂吸収層に照射する。
• 吸収層の厚さを系統的に変化させ（CH₃NH₃PbI₃で150 nm、MoTe₂で407 nm）、サブセル間の電流密度マッチングを達成した。
• 主な性能パラメータ（オープン・クランプ電圧（Voc）、ショート・サーキット電流密度（Jsc）、フィル・ファクター（FF）、発電効率（PCE））を計算した。
• PCEを比較するために、ボトムセルとしてのさまざまなTMDC（MoTe₂、WS₂、WSe₂）を用いた構成を検討し、最適な組み合わせを同定した。
• 実際のタンドゥム動作を模擬するため、標準的なAM 1.5G太陽スペクトルに、トップセルを通した透過スペクトルを適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペロブスカイトとMoTe₂を組み合わせた二端子タンドゥム太陽電池は、単接合型ペロブスカイトまたはMoTe₂セルよりも高い発電効率（PCE）を達成できるか？
• RQ2 電流密度マッチングとPCEの最大化を達成するための、ペロブスカイトおよびMoTe₂吸収層の最適厚さは何か？
• RQ3 トップセルからのフィルタードスペクトルが、2Tタンドゥム構成におけるボトムセルの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 タンドゥム構造において、シリコンやCIGSと比較して、MoTe₂をボトムセルとして用いることで、安定性および柔軟性の面で利点が得られるか？
• RQ5 2Tタンドゥム構造において、ペロブスカイトと組み合わせた場合に、MoTe₂、WS₂、WSe₂のうちどのTMDC材料が最高のPCEを示すか？

主な発見

• CH₃NH₃PbI₃（1.55 eV）をトップセル、MoTe₂（1.1 eV）をボトムセルとして用いた2Tタンドゥム太陽電池は、AM 1.5G照明下で最大35.3%の発電効率（PCE）を達成した。
• 電流密度マッチングは、CH₃NH₃PbI₃トップ層が150 nm、MoTe₂ボトム層が407 nmの厚さで達成され、電流密度は16.3 mA/cm²となった。
• タンドゥム構造のオープン・クランプ電圧（Voc）は2.4 Vに達し、直列接続による効果で個々のサブセルのVocの合計を大きく上回った。
• タンドゥムセルのフィル・ファクター（FF）は90.3%であり、再結合が低く、シミュレーションされた構造の界面品質が優れていることを示している。
• 単接合型ペロブスカイトおよびMoTe₂太陽電池のPCEはそれぞれ26.2%および30.3%であり、タンドゥム構造の優れた性能を裏付けた。
• 検証されたTMDCの中で、ペロブスカイトと組み合わせた場合にMoTe₂が最も高いPCEを示し、WS₂およびWSe₂を上回った。