[논문 리뷰] Highly efficient light management for perovskite solar cells

Donglin Wang, Huijuan Cui외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 17.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 43인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 투명한 전도성 산화체를 통해 부속 흡수를 줄이고, 슬롯이 가로지르고 뒤집힌 프리즘 구조를 가진 SiO2 층을 사용하여 페로브스카이트 태양전지의 빛 관리 전략을 매우 효율적으로 제안한다. 이는 빛의 포획을 향상시키며, 전력 변환 효율성과 입사각에 대한 내성을 크게 향상시킨다. 이는 고성능 페로브스카이트 광발전소의 가능성 있는 길을 제시한다.

ABSTRACT

Organic-inorganic halide perovskite solar cells have enormous potential to impact the existing photovoltaic industry. As realizing a higher conversion efficiency of the solar cell is still the most crucial task, a great number of schemes were proposed to minimize the carrier loss by optimizing the electrical properties of the perovskite solar cells. Here, we focus on another significant aspect that is to minimize the light loss by optimizing the light management to gain a high efficiency for perovskite solar cells. In our scheme, the slotted and inverted prism structured SiO2 layers are adopted to trap more light into the solar cells, and a better transparent conducting oxide layer is employed to reduce the parasitic absorption. For such an implementation, the efficiency and the serviceable angle of the perovskite solar cell can be promoted impressively. This proposal would shed new light on developing the high-performance perovskite solar cells.

연구 동기 및 목표

• 고효율을 위한 제한 요소인 페로브스카이트 태양전지의 빛 손실 문제를 해결하기 위해.
• 전기적 최적화를 초과하여 광학 설계에 초점을 맞춰 빛 수확을 향상시키기 위해.
• 고도로 발전된 빛 관리 기법을 통해 페로브스카이트 태양전지의 전력 변환 효율성과 입사각 반응성을 동시에 향상시키기 위해.
• SiO2 나노구조와 향상된 투명한 전도성 산화체를 활용한 확장 가능한 광학 구조를 개발하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 페로브스카이트 태양전지의 전면 표면에 슬롯이 가로지르고 뒤집힌 프리즘 구조를 가진 SiO2 층을 도입하여 광역 반사 방지 및 회절 효과를 통해 빛의 결합과 포획을 향상시킨다.
• 높은 성능의 투명한 전도성 산화체(TCO) 층을 통합하여 부속 흡수를 최소화하면서도 뛰어난 전기적 도전성을 유지한다.
• 주기적인 나노구조를 활용해 유도 모드와 공진 카운터 효과를 자극함으로써 페로브스카이트 층 내에서 효과적인 광학 길이를 증가시킨다.
• 유한 차분 시간 영역(FDTD) 시뮬레이션을 사용하여 다양한 입사각과 파장에서의 빛 흡수 향상 정도를 모델링하고 최적화한다.
• 특히 가시광선 및 가까운 적외선 범위에서 태양 스펙트럼 전체에 걸쳐 높은 투과도와 낮은 반사를 유지하도록 설계된다.
• 나노구조를 가진 SiO2와 최적화된 TCO의 통합을 시뮬레이션하여 흡수 및 효율성 향상 정도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기적 성질 최적화에만 의존하지 않고, 페로브스카이트 태양전지에서 빛 포획을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 SiO2의 어떤 나노구조 기하학적 형태가 가장 효과적인 광역 빛 관리 성능을 보이는가?
• RQ3 고품질의 TCO는 전기적 성능을 유지하면서 부속 흡수를 어느 정도 줄일 수 있는가?
• RQ4 제안된 설계는 일광의 비수직 입사 조건에서 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 이 광학적 및 전기적 설계의 조합을 통해 이론적으로 달성 가능한 최대 효율 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 슬롯이 가로지르고 뒤집힌 프리즘 구조를 가진 SiO2 층은 빛 포획을 크게 향상시키며, 페로브스카이트 층 내에서 효과적인 광학 길이를 증가시킨다.
• 최적화된 투명한 전도성 산화체 층은 부속 흡수를 줄여 활성층에서 광전 생성을 위한 더 많은 광자를 보존한다.
• 제안된 설계는 흡수 및 입사각 반응성을 향상시킴으로써 페로브스카이트 태양전지의 전력 변환 효율성을 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과, 특히 600 nm 이상의 파장에서 가시광선 및 근적외선 스펙트럼 전역에서 흡수율 향상이 뚜렷하게 관찰된다.
• 장치의 입사각 내성은 확장되어 비수직 조명 조건에서도 뛰어난 성능을 유지함을 시사한다.
• 전체적으로 이 접근법은 고효율 페로브스카이트 태양전지를 실현하기 위한 고도의 광학 공학의 실현 가능성을 보여준다.