[논문 리뷰] Efficient all-perovskite tandem solar cells by dual-interface optimisation of vacuum-deposited wide-bandgap perovskite

Yu‐Hsien Chiang, Kyle Frohna외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 06.

Perovskite Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 진공 증착 방식으로 제조한 넓은 금반도대역(1.76 eV) 퍼보스카이트를 사용하여 2단계 전자기기 전면 퍼보스카이트 태양전지에서 24.1%의 전력 변환 효율을 달성하였다. 이는 구멍 수송층으로 메틸옥시-2PACz 자가 조립 단층막과 비방사성 재결합을 억제하기 위한 에틸렌디아민디요오드화물(EDAI₂) 도핑을 통한 双면 인터페이스 공학을 적용한 결과이다. 건식 증착 방법은 확장 가능한, 재현 가능한 장치 제조를 가능하게 하며, 기판 선택에 제한이 없다.

ABSTRACT

Tandem perovskite solar cells beckon as lower cost alternatives to conventional single junction solar cells, with all-perovskite tandem photovoltaic architectures showing power conversion efficiencies up to 26.4%. Solution-processing approaches for the perovskite layers have enabled rapid 2optimization of perovskite solar technologies, but new deposition routes are necessary to enable modularity and scalability, facilitating further efficiency improvements and technology adoption. Here, we utilise a 4-source vacuum deposition method to deposit FA$_{0.7}$ Cs$_{0.3}$Pb(I$_x$Br$_{1-x}$)$_3$ perovskite, where the bandgap is widened through fine control over the halide content. We show how the combined use of a MeO-2PACz self-assembled monolayer as hole transporting material and passivation of the perovskite absorber with ethylenediammonium diiodide reduces non-radiative losses, with this dual-interface treatment resulting in efficiencies of 17.8% in solar cells based on vacuum deposited perovskites with bandgap of 1.76 eV. By similarly passivating a narrow bandgap FA$_{0.75}$Cs$_{0.25}$Pb$_{0.5}$Sn$_{0.5}$I$_3$ perovskite and combining it with sub-cells of evaporated FA$_{0.7}$Cs$_{0.3}$Pb(I$_{0.64}$Br$_{0.36}$)$_3$, we report a 2-terminal all-perovskite tandem solar cell with champion open circuit voltage and power conversion efficiency of 2.06 V and 24.1%, respectively. The implementation of our dry deposition method enables high reproducibility in complex device architectures, opening avenues for modular, scalable multi-junction devices where the substrate choice is unrestricted.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능하고 건식 증착 방법을 통해 넓은 금반도대역 퍼보스카이트 흡수체를 개발하여 모듈형이고 재현 가능한 태양전지 조립을 가능하게 하기.
• 이중 인터페이스 공학을 통해 진공 증착 퍼보스카이트 태양전지의 비방사성 재결합 손실을 줄이기.
• 높은 성능의 전면 퍼보스카이트 태양전지 투자형 구조를 실현하여 개방 전압과 전력 변환 효율을 향상시키기.
• 진공 증착 기술이 도움이 되는 도전성 및 다양한 기판과의 호환성을 입증하여 더 넓은 적용 가능성을 확보하기.

제안 방법

• 정밀한 할라이드 조성 제어를 통해 밴드 갭 조절이 가능한 FA₀.₇Cs₀.₃Pb(IₓBr₁₋ₓ)₃ 퍼보스카이트를 4원자 진공 증착 기술을 사용하여 성장시켰다.
• 구멍 수송층으로 MeO-2PACz 자가 조립 단층막을 적용하여 구멍 추출 능력과 인터페이스 에너지 수준 정렬을 향상시켰다.
• 에틸렌디아민디요오드화물(EDAI₂)을 사용하여 넓은 금반도대역 퍼보스카이트의 표면 결함을 보정하여 비방사성 재결합을 감소시켰다.
• 보정된 넓은 금반도대역 하위세포를 좁은 금반도대역 FA₀.₇₅Cs₀.₂₅Pb₀.₅Sn₀.₅I₃ 퍼보스카이트 하위세포와 2단계 투자형 구조로 조합하였다.
• 인터페이스 층과 전하 수송을 최적화하여 전압 손실을 최소화하고 전류 일치를 극대화하였다.
• 다양한 배치에서의 재현성 테스트, J-V 측정, EQE 분석을 통해 장치 성능을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진공 증착 방식의 넓은 금반도대역 퍼보스카이트가 비방사성 재결합을 최소화하고 고효율, 재현 가능한 전면 퍼보스카이트 투자형 태양전지를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 MeO-2PACz와 EDAI₂를 사용한 이중 인터페이스 보정이 진공 증착 퍼보스카이트 장치의 전하 추출 능력과 출력 전압에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 진공 증착 방식으로 제조한 넓은 금반도대역 퍼보스카이트를 사용한 2단계 전면 퍼보스카이트 투자형 태양전지에서 도달 가능한 최대 전력 변환 효율은 얼마인가?
• RQ4 건식 증착 방법은 용액 기반 대비 기판의 유연성과 확장성 측면에서 얼마나 뛰어난가?
• RQ5 투자형 구조는 하위세포 간 전류 일치를 달성하면서도 고개방 전압을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 이중 인터페이스 최적화를 통해 진공 증착 넓은 금반도대역 퍼보스카이트(1.76 eV) 기반 단일 접합 태양전지에서 17.8%의 전력 변환 효율을 달성하였다.
• 최고 성능을 보인 2단계 전면 퍼보스카이트 투자형 태양전지는 전력 변환 효율 24.1%와 개방 전압 2.06 V를 기록하였다.
• 이중 인터페이스 전략—MeO-2PACz 구멍 수송층과 EDAI₂ 보정—이 비방사성 재결합 손실을 크게 감소시켰다.
• 진공 증착 방법은 높은 재현성과 다양한 기판과의 호환성을 확보하여 확장 가능하고 모듈형 장치 제조를 지원하였다.
• 투자형 장치는 넓은 금반도대역과 좁은 금반도대역 하위세포 간 우수한 전류 일치를 보였으며, 이는 고전압과 고효율을 기여하였다.
• 건식 증착 기술의 구현은 산업 규모의 퍼보스카이트 투자형 태양전지 생산을 위한 새로운 길을 열었다.