[논문 리뷰] Contactless Series Resistance Imaging of Perovskite Solar Cells via Inhomogeneous Illumination

Arman Mahboubi Soufiani, Yan Zhu외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 14.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 56인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비접촉 광발광 영상 기법을 제안하여 비정질 조명 조건 하에서 퍼보스카이트 태양전지의 유효 시리즈 저항(Rs)을 지ap핑한다. 번갈아가며 조명된 영역와 비조명 영역를 만듦으로써, 전기적 접촉 없이도 전류 추출과 발광 탐지가 가능해지며, 전기적 접촉이 필요 없이 고-Rs 영역를 정성적으로 식별할 수 있다. 이는 전기적 접촉 방식 측정 결과와의 검증을 통해 이루어지며, 초기 단계의 소자 특성 분석 및 투안형 하위세포 분석에 적용 가능하다.

ABSTRACT

A contactless effective series resistance imaging method for large area perovskite solar cells that is based on photoluminescence imaging with non-uniform illumination is introduced and demonstrated experimentally. The proposed technique is applicable to partially and fully processed perovskite solar cells if laterally conductive layers are present. The capability of the proposed contactless method to detect features with high effective series resistance is validated by comparison with various contacted mode luminescence imaging techniques. The method can reliably provide information regarding the severeness of the detected series resistance through photo-excitation pattern manipulation. Application of the method to sub-cells in monolithic tandem devices, without the need for electrical contacting the terminals, appears feasible.

연구 동기 및 목표

• 접촉 기반 기법의 한계를 극복하기 위해 퍼보스카이트 태양전지에서 유효 시리즈 저항(Rs) 영상화를 위한 비접촉 방법을 개발하는 것.
• 완전한 메탈라이제이션 이전의 초기 단계에서 퍼보스카이트 소자를 특성 분석할 수 있도록 하여 스케일업 과정 중 공정 최적화를 지원하는 것.
• 전기적 단자나 금속 접촉 없이도 다양한 Rs 심각도를 가진 영역를 구분할 수 있도록 하는 것.
• 접촉 방식의 광발광 영상 기반 전류 추출 측정 결과와 비교하여 비접촉 기법의 타당성을 검증하는 것.
• 모노리식 퍼보스카이트 투안형 태양전지의 하위세포 비접촉 특성 분석 가능성을 탐색하는 것.

제안 방법

• 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 사용하여 공간적으로 비균일한 광자극 패tern을 적용하여 퍼보스카이트 태양전지 전반에 걸쳐 번갈아가며 조명된 영역와 비조명 영역를 생성한다.
• 조명된 영역에서는 횡방향 균형 전류가 비접촉 전류 추출을 유도하며, 이로 인해 PLCE_contactless 영상이 생성된다.
• 비조명 영역에서는 자극이 없기 때문에 내재된 전위에 의해 비접촉 전기발광(EL_contactless) 영상이 생성된다.
• 조명된 영역와 비조명 영역 간의 발광 강도 차이를 이용하여 유효 시리즈 저항(Rs)에 대한 전압 강하(ΔVs)를 추론하며, 이는 Rs에 비례한다.
• 이 방법은 전하 수송층의 횡방향 도전성을 기반으로 소자 전반에 걸쳐 전류 균형을 이루도록 한다.
• 수득한 발광 패턴에 대한 영상 처리를 통해 유효 Rs 분포의 정성적 지ap핑을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정질 조명 조건을 사용하여 전기적 접촉 없이도 퍼보스카이트 태양전지에서 유효 시리즈 저항(Rs)을 영상화할 수 있는가?
• RQ2 비접촉 방식에서 전류 추출 조건을 변화시킬 경우, Rs 특성의 심각도는 발광 강도 변화와 어떻게 관련되는가?
• RQ3 비접촉 기법이 접촉 방식 측정 결과에 의해 확인된 바와 같이 고-Rs 영역와 저-Rs 영역를 신뢰성 있게 탐지하고 구분할 수 있는가?
• RQ4 이 방법은 제조 과정 중 부분적으로 처리되거나 메탈라이제이션이 완료되지 않은 퍼보스카이트 소자에 얼마나 적용 가능한가?
• RQ5 이 기법은 모노리식 퍼보스카이트 투안형 태양전지의 하위세포 비접촉 특성 분석에 적합한가?

주요 결과

• 비접촉 기법은 조명의 공간적 조절을 통해 고유효 시리즈 저항(Rs) 영역를 성공적으로 식별하였으며, 전류 추출이 가능한 접촉 방식의 광발광 영상 결과와 일치하는 결과를 보였다.
• 절대 Rs 값이 낮은 특징들은 전류 추출량이 증가함에 따라 발광 영상에서 사라지지만, 고-Rs 영역는 그대로 유지되어 정성적 심각도 평가가 가능하다.
• 이 방법은 메탈라이제이션이 이루어지지 않은 소자에서도 Rs 영향을 받는 영역를 탐지할 수 있어, 스케일업 과정 중 초기 단계의 공정 최적화를 지원한다.
• 비접촉 영상과 다양한 단자 전압에서 확보한 접촉 방식의 PLCE 영상 간 비교를 통해 특징의 가시성에서 일치함을 입증하여 기법의 타당성을 검증하였다.
• 이 방법은 비파괴적이고 비접촉적인 방식으로 모노리식 투안형 태양전지에서 Rs 및 암시적 개방회로 전압(iVOC)을 지도화할 수 있으며, 전기적 접근 없이도 전체 하위세포 특성 분석이 가능하게 한다.
• 이 방법은 후방면 도전성 수송층이 존재하는 한 부분적으로 처리된 소자와 완전히 처리된 퍼보스카이트 태양전지 모두에 적용 가능하다.