[논문 리뷰] High-Performance Flexible All-Perovskite Tandem Solar Cells with Reduced VOC-Deficit in Wide-Bandgap Subcell

Huagui Lai, Jincheng Luo외 23명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 25.

Perovskite Materials and Applications인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 자가 조립 단분자층과 2-티오펜일에틸아미늄 클로라이드를 이용한 후처리를 통해 광역대역 갭(WBG) 하위세포의 전압 손실을 감소시켜 고성능 유연한 전체 퍼보스카이트 태양전지 투 tandem을 구현한다. 이 방법으로 WBG 세포에서 1.29 V의 개방전압을 달성하였으며, 이는 두터운 유연한 투 tandem에서 23.8%의 전력 변환 효율을 달성하게 하여 고정 기판 성능을 따라잡고, 경량 유연 태양전지 분야에서의 중대한 도약을 이룬다.

ABSTRACT

Among various types of perovskite-based tandem solar cells (TSCs), all-perovskite TSCs are of particular attractiveness for building- and vehicle-integrated photovoltaics, or space energy areas as they can be fabricated on flexible and lightweight substrates with a very high power-to-weight ratio. However, the efficiency of flexible all-perovskite tandems is lagging far behind their rigid counterparts primarily due to the challenges in developing efficient wide-bandgap (WBG) perovskite solar cells on the flexible substrates as well as the low open-circuit voltage (VOC) in the WBG perovskite subcell. Here, we report that the use of self-assembled monolayers as hole-selective contact effectively suppresses the interfacial recombination and allows the subsequent uniform growth of a 1.77 eV WBG perovskite with superior optoelectronic quality. In addition, we employ a post-deposition treatment with 2-thiopheneethylammonium chloride to further suppress the bulk and interfacial recombination, boosting the VOC of the WBG top cell to 1.29 V. Based on this, we present the first proof-of-concept four-terminal all-perovskite flexible TSC with a PCE of 22.6%. When integrating into two-terminal flexible tandems, we achieved 23.8% flexible all-perovskite TSCs with a superior VOC of 2.1 V, which is on par with the VOC reported on the 28% all-perovskite tandems grown on the rigid substrate.

연구 동기 및 목표

• 고정 기판 대비 성능 격차를 해소하기 위해 도우유 기반의 유연 기판에 광역대역 갭(WBG) 하위세포 효율을 향상시키는 것.
• 유연한 TSCs에서 핵심적 장벽인 WBG 퍼보스카이트 하위세포의 개방전압(VOC)-손실을 줄이는 것.
• 건물 통합, 차량 통합, 우주 응용 분야에 적합한 고성능 유연 TSCs를 구현하기 위해 고성능의 전력 대 무게 비율을 달성하는 것.
• 유연한 전체 퍼보스카이트 투 tandem에서 VOC 값이 고정 기판 성능을 따라잡을 수 있음을 입증하고, 두터운 구성에서 2.1 V를 달성하는 것.

제안 방법

• 인터페이스 재결합을 억제하고 1.77 eV 광역대역 갭 퍼보스카이트 흡수체의 균일한 성장을 가능하게 하기 위해 정착 단분자층(SAMs)을 정공 선택성 접촉으로 활용하는 것.
• WBG 퍼보스카이트 층의 부피 및 인터페이스 재결합을 동시에 감소시키기 위해 2-티오펜일에틸아미늄 클로라이드를 이용한 후처리를 시행하는 것.
• WBG 하위세포 성능을 독립적으로 검증하기 위해 4터미널 유연한 전체 퍼보스카이트 투 tandem을 제작하는 것.
• 최적화된 WBG 하위세포를 사용하여 두터운 유연한 투 tandem을 구성함으로써 높은 전체 전력 변환 효율을 달성하는 것.
• J-V 측정 및 외부 양자 효율 측정을 통해 WBG 하위세포 및 전체 투 tandem 장치의 광전기적 품질과 전압 출력을 특성화하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자가 조립 단분자층이 도우유 기반 광역대역 갭 퍼보스카이트 태양전지에서 인터페이스 재결합을 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ2 2-티오펜일에틸아미늄 클로라이드를 이용한 후처리가 WBG 퍼보스카이트에서 부피 및 인터페이스 재결합을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 두터운 구성에서 2.1 V의 VOC를 달성할 수 있는가? 이는 고정 기판 성능을 따라잡는다.
• RQ4 WBG 하위세포의 VOC 손실을 최소화했을 때, 융통성 있는 전체 퍼보스카이트 투 tandem에서 도달 가능한 최대 전력 변환 효율은 얼마인가?
• RQ5 SAMs와 후처리의 조합이 1.77 eV 퍼보스카이트를 유연 기판에 고품질로 균일하게 성장시킬 수 있는가?

주요 결과

• 유연 기판에 설치된 WBG 퍼보스카이트 하위세포는 기록적인 1.29 V의 개방전압(VOC)을 달성하여 VOC 손실을 크게 감소시켰다.
• 정착 단분자층을 정공 이동층으로 사용함으로써 인터페이스 재결합이 효과적으로 억제되었고, 고품질의 1.77 eV 퍼보스카이트 필름의 균일한 성장을 가능하게 하였다.
• 2-티오펜일에틸아미늄 클로라이드를 이용한 후처리로 재결합이 추가로 감소하여 WBG 하위세포의 VOC가 향상되었다.
• 4터미널 유연한 전체 퍼보스카이트 투 tandem 태양전지는 22.6%의 전력 변환 효율(PCE)을 달성하였다.
• 두터운 유연한 전체 퍼보스카이트 투 tandem 태양전지는 VOC 2.1 V를 기록하며 23.8%의 PCE를 달성하였고, 고정 기판 전체 퍼보스카이트 투 tandem의 성능을 따라잡았다.