[논문 리뷰] Charge Carrier Dynamics of Methylammonium Lead-Iodide Perovskite Solar Cells

Martin Neukom|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 19.

Perovskite Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 석사학위 논문은 9개 오다이스케일(마이크로초에서 분까지)의 일시적 광전기 측정 및 이동도 균형과 깊은 정공 포획 현상에 기인한 동적 도핑 메커니즘을 고려한 이동도-확산 시뮬레이션을 통해 메틸아미늄 페르로브스카이트(MAPbI3) 태양전지의 전하 운반자 동역학을 연구한다. 이 연구는 이동성 이질성과 깊은 정공 포획 현상이 빠른 일시적 반응(마이크로초에서 밀리초까지)을 유도하며, 이는 페르로브스카이트 장치에서 히스테리시스 및 동적 거동을 설명하는 종합적인 메커니즘을 제공한다.

ABSTRACT

Transient opto-electrical measurements of methylammonium lead iodide (MALI) perovskite solar cells (PSCs) are performed and analyzed in order to elucidate the operating mechanisms. The current response to a light pulse or voltage pulse shows an extraordinarily broad dynamic range covering 9 orders of magnitude in time - from microseconds to minutes - until steady-state is reached. Evidence of a slowly changing charge density at the perovskite layer boundaries is found, which is most probably caused by mobile ions. Current-voltage curves (IV curves) are measured with very fast scan-rate after keeping the cell for several seconds at a constant voltage as proposed by Tress et al. Numerical drift-diffusion simulations reproduce the measured IV curves using different distributions of ions in the model. Analysing the band diagram of the simulation result sheds light on the operating mechanism. To further investigate the effects at short time scales (below milliseconds) photo-generated charge extraction by linearly increasing voltage (photo-CELIV) experiments are performed. We postulate that mobility imbalance in combination with deep hole trapping leads to dynamic doping causing effects from microseconds to milliseconds. Comprehensive transient drift-diffusion simulations of the photo-CELIV experiments strengthen this hypothesis. This advanced characterization approach combining dynamic response measurements and numerical simulations represents a key step on the way to a comprehensive understanding of device working mechanisms in emerging perovskite solar cells.

연구 동기 및 목표

• 메틸아미늄 페르로브스카이트(MAPbI3) 페르로브스카이트 태양전지에서 전압-전류 히스테리시스의 기원을 이해하기 위해.
• 마이크로초에서 분까지의 광범위한 시간 척도에서 전하 운반자 동역학을 조사하기 위해.
• 이면에서의 전하 축적과 장치 비이상적 거동에 기여하는 이동성 이온과 트랩 상태의 역할을 규명하기 위해.
• 빠른 일시적 영역에서 이동도 불균형과 깊은 정공 트랩에 의해 유도되는 동적 도핑 메커니즘을 검증하기 위해.
• 미래의 페르로브스카이트 태양전지에서 장치 물리학 분석을 위한 통합된 실험 및 시뮬레이션 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 마이크로초에서 분까지의 전류 반응을 측정하기 위해 빛과 전압 펄스를 이용한 일시적 광전기 측정을 수행하였다.
• 히스테리시스 오염 요소를 최소화하기 위해 Tress 등이 제안한 바와 같이 전압 유지 후 빠른 스캔 IV 측정을 수행하였다.
• 1ms 이하의 전하 추출 동역학을 연구하기 위해 선형적으로 증가하는 전압을 이용한 광전-CELIV 실험을 수행하였다.
• 다양한 이온 분포를 가진 일시적 이동도-확산 시뮬레이션을 수행하여 실험적 IV 곡선과 일시적 반응을 재현하였다.
• 일시적 전류 측정에서 기생 저항과 커패시턴스를 보정하기 위해 RC 보정 기법을 사용하였다.
• 모의된 밴드도를 분석하여 관측된 전류 일시적 반응과 히스테리시스의 물리적 메커니즘을 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MAPbI3 페르로브스카이트 태양전지에서 조명 후에도 수 분 간 지속되는 느린 전류 반응은 무엇에 기인하는가?
• RQ2 이동성 이온은 관측된 인터페이스 전하 밀도 변화와 IV 곡선의 히스테리시스에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 페르로브스카이트 장치에서 빠른 일시적 반응(마이크로초에서 밀리초까지)을 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 전자와 정공 간의 이동도 불균형과 깊은 정공 트랩이 동적 도핑 효과를 얼마나 유도하는가?
• RQ5 수치적 이동도-확산 시뮬레이션은 실제 장치에서 관측된 복잡한 일시적 거동을 정량적으로 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 일시적 전류 반응은 마이크로초에서 분까지 9개 오다이스케일에 걸쳐 시간이 변화함을 나타내어 광범위한 동적 과정이 존재함을 시사한다.
• 페르로브스카이트 층 경계에서 느리게 변화하는 전하 밀도의 증거를 발견하였으며, 이는 이동성 이온 존재를 강력히 시사한다.
• 빠른 일시적 반응(마이크로초에서 밀리초까지)은 이동도 불균형과 깊은 정공 포획에 의해 유도되는 동적 도핑 메커니즘에 기인한다.
• 다양한 이온 분포를 사용한 수치적 이동도-확산 시뮬레이션은 측정된 IV 곡선을 성공적으로 재현하였으며, 이온 이동의 역할을 확인하였다.
• 광전-CELIV 실험과 그 시뮬레이션은 정공 포획과 전자-정공 이동도 불균형이 빠른 일시적 동역학을 지배함을 지지하는 가설을 뒷받침한다.
• 일시적 측정과 다중 척도 시뮬레이션의 통합적 접근은 페르로브스카이트 태양전지에서의 복잡한 장치 물리학 이해를 위한 견고한 프레임워크를 제공한다.