[논문 리뷰] From Dye Sensitized to Perovskite Solar Cells, The Missing Link

So‐Min Yoo, Seog Joon Yoon외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 28.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 1인용 수 38

한 줄 요약

본 논문은 전구체 농도를 제어하여 염료감응형 태양전지(DSSC) 임피던스 패턴을 페로브스카이트 태양전지로 연결하고, PSC 임피던스를 수송 및 재결합 과정의 관점에서 해석하기 위한 등가 회로 모델을 제시합니다.

ABSTRACT

Fundamental working mechanisms of perovskite solar cells remain an elusive topic of research. Impedance Spectroscopy (IS) application to perovskite-based devices generates uncommon features and misleading outputs, mainly due to the lack of a stablished model for the interpretation of the results. In this work we control the perovskite precursor concentration to fabricate a series of perovskite-based solar cells with different amounts of perovskite absorber. Low concentration devices present the well-known dye sensitized solar cell (DSSCs) impedance pattern. As the amount of perovskite is increased, the characteristic impedance spectra of thin-film perovskite solar cells (PSCs) arises. This transition is characterized by a change in the working principles, determined by an evolution of the dominant capacitance: from the intermediate frequency chemical capacitance of TiO2 in devices with isolated perovskite domains, to a large low-frequency capacitance signal which divides the spectra in two sections, yet with no direct influence in final device performance. This study allows to link experimentally, in terms of impedance behavior, PSCs with the rest of solar cell devices via DSSCs. We observe that it is not possible to assign a single physical origin to the different resistances determined in the impedance spectra except for the series resistance. In contrast, resistive element present contributions from different physical processes, observing a transport-recombination coupling. Based on this analysis we provide an equivalent circuit model to evaluate the impedance pattern of PSCs in terms of the processes directly affecting the final performance (i.e. considering transport-related and recombination-related losses), a crucial tool for further development of perovskite photovoltaics.

연구 동기 및 목표

• 임피던스 분광법(IS)을 통해 페로브스카이트 태양전지의 기본 작동 메커니즘을 조사한다.
• 페로브스카이트 전구체 농도의 변화가 소자 임피던스 패턴에 어떻게 영향을 미치는지 탐구한다.
• PSC 성능에 영향을 미치는 운반 및 재결합 과정에 임피던스 특징을 매핑하는 등가 회로 모델을 개발한다.

제안 방법

• 전구체 농도를 제어하여 페로브스카이트 흡수층의 양이 서로 다른 일련의 페로브스카이트 태양전지를 제작한다.
• 소자의 임피던스 스펙트럼을 측정하여 DSSC 유사 패턴에서 PSC 패턴으로의 전이를 관찰한다.
• 페로브스카이트 함량 증가에 따라 지배적 커패시턴스가 TiO2 화학 커패시턴스로부터 큰 저주파 커패시턴스로 진화하는 과정을 분석한다.
• 임피던스 응답에서 운반 관련 손실과 재결합 관련 손실을 구분하는 등가 회로 모델을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페로브스카이트 전구체 농도가 태양전지의 임피던스 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 DSSC 유사 영역과 PSC 영역에 걸쳐 PSC 임피던스를 통일된 모델로 해석할 수 있는가?
• RQ3 시리즈 저항 이외에 PSC 임피던스 스펙트럼의 저항성 소자들의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ4 운반 및 재결합 과정이 임피던스 측정에서 어떻게 나타나며 최종 소자 성능과 어떤 관련이 있는가?

주요 결과

• 저-페로브스카이트 농도 소자의 DSSC 유사 임피던스 패턴을 보인다.
• 페로브스카이트 함량 증가가 스펙트럼을 큰 저주파 커패시턴스를 가진 특성 PSC 패턴으로 전환한다.
• 지배적 커패시턴스가 TiO2 관련 화학 커패시턴스로부터 두 부분으로 스펙트럼을 나누지만 최종 성능을 직접 좌우하지 않는 큰 저주파 신호로 진화한다.
• 저항성 소자는 시리즈 저항 이외에 단일 물리적 기원을 부여할 수 없으며; 운반 및 재결합 기여를 합쳐 반영한다.
• 이동 관련 손실 및 재결합 관련 손실의 관점에서 임피던스를 평가하기 위한 등가 회로 모델이 제공된다.