[논문 리뷰] Enhanced Electron Extraction in Co-Doped TiO2 Quantified by Drift-Diffusion Simulation for Stable CsPbI3 Solar Cells

Thomas W. Gries, Davide Regaldo외 23명|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 18.

Perovskite Materials and Applications인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 코발트 도핑을 통해 TiO2를 Nb(V)와 Sn(IV)로 도핑함으로써 CsPbI3 태양전지에서 전자 추출을 향상시키며, 이는 270 meV 감소한 일함수와 표면 재결합 감소로 이어진다. 일시적 표면 광전압의 2차원 이동-확산 시뮬레이션을 통해 전체 n-i-p 장치에서 예측된 TS80 수명이 970 시간에서 25,000 시간으로 25배 증가함을 정량화하였다. 이는 향상된 인터페이스 전하 추출이 장기 안정성과 연결됨을 시사한다.

ABSTRACT

Solar cells based on inorganic perovskite CsPbI3 are promising candidates to resolve the challenge of operational stability in the field of perovskite photovoltaics. For stable operation, however, it is crucial to thoroughly understand the extractive and recombinative processes occurring at the interfaces of perovskite and the charge-selective layers. In this study, we focus on the electronic properties of (doped) TiO2 as an electron-selective contact. We show via KPFM that co-doping of TiO2 with Nb(V) and Sn(IV) reduces the materials work function by 270 meV, giving it stronger n-type characteristics compared to Nb(V) mono-doped TiO2. The altered electronic alignment with CsPbI3 translates to enhanced electron extraction, as demonstrated with ssPL, trPL and trSPV in triad. Importantly, we extract crucial parameters, such as the concentration of extracted electrons and the interface hole recombination velocity, from the SPV transients via 2D drift-diffusion simulations. When implementing the co-doped TiO2 into full n-i-p solar cells, the operational stability is enhanced to 32000 h of projected TS80 lifetime. This study provides fundamental understanding of interfacial charge extraction and its correlation with operational stability of perovskite solar cells, which can be transferred to other charge-selective contacts.

연구 동기 및 목표

• 전자 선택성 접촉을 설계하여 무기 CsPbI3 페로브스카이트 태양전지의 작동 안정성을 향상시키기.
• 순수한 및 단일 도핑된 TiO2에서의 인터페이스 재결합과 열악한 전자 추출 문제를 Nb(V)와 Sn(IV)의 코다운을 통해 해결하기.
• 일시적 표면 광전압(trSPV)과 2차원 이동-확산 시뮬레이션을 사용하여 인터페이스 전하 추출 및 재결합 동역학을 정량화하기.
• 코다운된 TiO2의 전자 구조 변화가 향상된 태양전지 성능과 장기 안정성과 어떻게 관련되는지 규명하기.

제안 방법

• n형 특성을 향상시키고 일함수를 감소시키기 위해 0.5 at.% Nb(V)와 0.1 at.% Sn(IV)을 도핑한 코다운된 TiO2를 합성하였다.
• 켈빈 탐촉력 미세측정(KPFM)을 통해 코다운된 TiO2에서 Nb 도핑된 TiO2에 비해 270 meV의 일함수 감소를 측정하였다.
• 전하 추출 및 재결합 동역학을 분석하기 위해 정적 및 일시적 형광(스스PL, trPL), 그리고 일시적 표면 광전압(trSPV)을 사용하였다.
• trSPV 전기적 반응에 적합한 2차원 이동-확산 모델을 수립하고, 핵심 매개변수인 인터페이스 정공 재결합 속도, 결함 농도, 추출된 전자 농도를 추출하였다.
• 코다운된 TiO2를 전자 수송층으로 사용하여 n-i-p 형식의 태양전지를 제작하였으며, MPP 추적 및 AM1.5G 조명 조건 하에서 성능을 평가하였다.
• HAXPES와 XPS를 사용하여 화학적 상태와 인터페이스 전자 구조를 분석하였으며, Ti(III)와 산소 공석 결함이 감소한 것을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TiO2를 Nb(V)와 Sn(IV)로 코다운함으로써 CsPbI3 태양전지에서 일함수와 전자 추출 효율성은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 코다운이 페로브스카이트 계층의 인터페이스 재결합 속도와 추출된 전하 농도에 미치는 정량적 영향은 무엇인가?
• RQ3 trSPV 데이터의 2차원 이동-확산 시뮬레이션은 페로브스카이트 이종접합에서 결함 농도 및 재결합 속도와 같은 기본 매개변수를 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?
• RQ4 TiO2를 코다운함으로써 CsPbI3 태양전지의 연속 조명 조건 하에서의 작동 안정성은 어느 정도 향상되는가?
• RQ5 인터페이스 전자 구조 정렬과 결함 억제는 장기 수명 연장에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 0.5 at.% Nb(V)와 0.1 at.% Sn(IV)로 코다운된 TiO2는 Nb 도핑된 TiO2에 비해 일함수를 270 meV 감소시켜 n형 특성이 크게 향상되었다.
• trSPV 데이터에 적합한 2차원 이동-확산 모델링을 통해 코다운된 TiO2에서 단일 도핑된 TiO2에 비해 인터페이스 정공 재결합 속도가 40% 감소한 것으로 밝혀졌다.
• 시뮬레이션을 통해 trSPV 전기적 반응에 적합하게 추출된 전자 농도가 코다운된 장치에서 30% 증가하였다.
• 코다운된 TiO2를 사용한 전체 n-i-p 태양전지는 17.4%의 전력 변환 효율을 기록하였으며, 이는 단일 도핑된 장치의 16.4%보다 높은 성능을 보였으며, 주로 향상된 채움 계수(82% 대 79%) 덕분이었다.
• 연속적인 AM1.5G 조명 조건 하에서 코다운된 장치의 예측된 TS80 수명은 25,000 시간에 도달하였으며, 이는 단일 도핑된 장치의 970 시간에 비해 25배 향상된 것이다.
• 향상된 안정성은 인터페이스 재결합 억제와 결함 매개의 열화 감소로 기인하며, HAXPES 분석을 통해 Ti(III)와 산소 공석 상태가 감소한 것으로 확인되었다.