[논문 리뷰] A photon ratchet route to high-efficiency hybrid halide perovskite intermediate band solar cells

Jarvist M. Frost, Pooya Azarhoosh외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 29.

Perovskite Materials and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 동결된 스핀-오비트 결합과 라슈바 분리 상태를 활용한 운동량 공간 광자 라치트 메커니즘을 통해 복합 할라이드 퍼보스카이트에서 고효율 중간 Band 태양전지(IBSCs)를 위한 새로운 길을 제시한다. 간접 Band 갭은 광자로 유도된 캐리어가 복구 보호된 라슈바 풍선으로 열화되어, 낮은 전자 친화도를 가진 접촉을 통해 더 높은 도체 밴드에서 선택적 전하 수확이 가능하게 하며, 이는 3 eV 이상의 광전압과 쇼크리-퀴저 한계를 초월한 효율성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The spin-split indirect bandgap in hybrid-halide perovskites provides a momentum-space realisation of a photon-ratchet intermediate band. Excited electrons thermalise to recombination-protected Rashba pockets offset in momentum space, building up the charge density to have sufficient flux to the higher lying conduction band. This effect could be used to form an intrinsic intermediate band solar cell with efficiencies beyond the Shockley-Queisser limit if a selective low-electron affinity contact can be made to the higher conduction state. This concept is supported by analysis of the many-body electronic structure. Production of above-bandgap voltages under illumination would affirm the physical mechanism proposed here.

연구 동기 및 목표

• 복합 할라이드 퍼보스카이트에서 고효율 중간 Band 태양전지(IBSCs)를 달성하기 위한 새로운 메커니즘을 입증하는 것.
• 내재된 스핀-오비트 결합과 라슈바 분리를 활용하여 비방사 재결합을 억제하는 운동량 공간 광자 라치트를 창출하는 것.
• 더 높은 도체 밴드에 대한 선택적 낮은 전자 친화도 접촉이 독립적인 준-페르미 수준 형성과 이례적인 광전압 생성을 가능하게 할 수 있음을 보여주는 것.
• 메틸아미늄 lead 이odide(CH3NH3PbI3)를 시험 시스템으로 사용하여 부피형, 밴드 구조 설계된 IBSC의 실현 가능성을 검증하는 것.
• 향후 실험적 실현이 가능한 IBSC의 이론적 기초를 제공하는 것 — 특히 쇼크리-퀴저 한계를 초월한 효율성을 달성하기 위해.

제안 방법

• 스핀-오비트 결합 효과를 포함한 CH3NH3PbI3의 밴드 구조를 모델링하기 위해 다체 GW 전 electrone 구조 계산을 사용한다.
• 가장자리, 중간, 도체 밴드에서 스핀 분리 라슈바 풍선을 식별하며, 이들의 극값은 운동량 공간에서 이격되어 있다.
• 광자 라치트 메커니즘은 중간 밴드에서의 빠른 열화로 인해 라슈바 풍선으로의 광자 캐리어 전이가 가능해지며, 이로 인해 직접적인 가성 밴드로의 재결합이 감소한다.
• 특정 전자 접촉(예: Ba, Ca, LiF, 풀러로이드 유도체 등)을 통해 높은 도체 밴드에서만 캐리어를 추출하는 것을 가정한다.
• 다이폴 매트릭스 요소와 공동 밀도 상태의 이론적 분석을 통해 운동량 불일치로 인한 복사 재결합 속도 감소를 확인한다.
• 시스템은 두 개의 리드 탄자 태양전지 등가로 모델링되며, VB→IB 및 IB→CB 전이 간의 전류 밸런스가 핵심 설계 기준이 된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복합 할라이드 퍼보스카이트에서 스핀 분리 라슈바 풍선이 비방사 재결합을 억제하는 운동량 공간 광자 라치트를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 운동량 공간에서 상호 수직인 라슈바 극값이 발생하는 간접 Band 갭이 전자-정공 재결합을 가성 밴드로 감소시키는가?
• RQ3 더 높은 도체 밴드에 대한 선택적 낮은 전자 친화도 접촉이 독립적인 준-페르미 수준 형성과 이례적인 광전압 생성을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 스핀-오비트 결합이 효율적인 이중 광자 흡수를 위한 장수명 중간 상태를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 CH3NH3PbI3의 내재된 밴드 구조가 쇼크리-퀴저 한계를 초월한 전력 변환 효율을 가진 기능성 IBSC를 지지할 수 있는가?

주요 결과

• CH3NH3PbI3의 중간 밴드는 스핀-오비트 결합에 의해 도체 밴드의 스핀 분리로 인해 형성되며, 이는 운동량 공간 광자 라치트를 만든다.
• 중간 및 도체 밴드의 라슈바 분리 풍선은 서로 다른 k-점에 위치해 있어, 직접적인 가성 밴드로의 재결합을 감소시킨다.
• 1-sun 조명 조건 하에서 중간 밴드에서 가성 밴드로의 직접 복사 재결합 속도는 운동량 불일치로 인해 350배 감소한다.
• 더 높은 도체 밴드는 낮은 효과 질량(0.191 me)과 높은 산란도를 가지며, 효율적인 캐리어 추출이 가능하다.
• 1.6 eV 빛으로 조명했을 때 3 eV 이상의 광전압을 생성할 수 있으며, 이는 기능성 광자 라치트 메커니즘이 작동하고 있음을 시사한다.
• 이론적 분석을 통해 세 밴드에서 독립적인 준-페르미 수준 형성이 가능하며, 이는 쇼크리-퀴저 한계를 초월하기 위한 필수 조건임을 확인한다.