[논문 리뷰] Improved evaluation of deep-level transient spectroscopy on perovskite solar cells reveals ionic defect distribution

Sebastian Reichert, Jens Flemming외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 10.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 76인용 수 72

한 줄 요약

이 연구는 메틸아미늄 페르르스카이트 태양전지에서 깊이 있는 일시적 분광법(DLTS) 분석을 향상시키기 위해 역 라플라스 변환을 위한 개선된 정규화 알고리즘을 도입한다. 이 방법을 온도 의존적 DLTS에 적용함으로써, 이동 가능한 이온 결함이 이산적인 값이 아니라 분포된 확산 계수를 가지며, 이는 이전 연구에서 보고된 결함 매개변수의 광범위한 변동성을 설명한다. 결과적으로, 이온 종인 요오소 이온 치환자(I⁻ᵢ), 메틸아미늄 양이온 빈칸(V⁻ₘₐ), 메틸아미늄 이온 치환자(MA⁺ᵢ) 세 종류를 확인하였으며, I⁻ᵢ와 V⁻ₘₐ는 MA⁺ᵢ보다 약 3개 온도 정도 높은 확산 계수를 보이며 이동성의 주요 기여자임을 시사한다. 이는 이온 이동성과 장치의 히스테리시스에 기여한다.

ABSTRACT

One of the key challenges for future development of efficient and stable metal halide perovskite solar cells is related to the migration of ions in these materials. Mobile ions have been linked to the observation of hysteresis in the current--voltage characteristics, shown to reduce device stability against degradation and act as recombination centers within the band gap of the active layer. In the literature one finds a broad spread of reported ionic defect parameters (e.g. activation energies) for seemingly similar perovskite materials, rendering the identification of the nature of these species difficult. In this work, we performed temperature dependent deep-level transient spectroscopy (DLTS) measurements on methylammonium lead iodide perovskite solar cells and developed a extended regularization algorithm for inverting the Laplace transform. Our results indicate that mobile ions form a distribution of emission rates (i.e. a distribution of diffusion constants) for each observed ionic species, which may be responsible for the differences in the previously reported defect parameters. Importantly, different DLTS modes such as optical and current DLTS yield the same defect distributions. Finally the comparison of our results with conventional boxcar DLTS and impedance spectroscopy (IS) verifies our evaluation algorithm.

연구 동기 및 목표

• 페르르스카이트 태양전지에서 보고된 이온 결함 매개변수(예: 활성화 에너지)에 오랫동안 지속된 불일치를 해결하기 위해.
• 분포된 방출 속도를 고려한 더 정확한 깊이 있는 일시적 분광법(DLTS) 평가 방법을 개발하기 위해.
• 메틸아미늄 페르르스카이트(MAPbI₃) 페르르스카이트 태양전지에서 이동 가능한 이온 종의 성격과 상대 이동성 규명하기 위해.
• 다양한 DLTS 모드(전류, 광학, 역방향 DLTS) 간의 결함 분포 일관성 검증하기 위해.
• 관측된 결함 분포를 페르르스카이트 장치의 히스테리시스와 불안정성의 근본 원인과 연결하기 위해.

제안 방법

• 소음이 있는 다중 지수형 DLTS 임펄스에서 방출 속도 분포를 추출하기 위해 역 라플라스 변환을 위한 확장된 정규화 알고리즘(RegSLapS)을 개발하였다.
• 세 가지 모드인 전류-DLTS(I-DLTS), 광학-DLTS(O-DLTS), 역방향-DLTS(C-DLTS)를 사용하여 MAPbI₃ 태양전지에서 온도 의존적 DLTS 측정을 수행하였다.
• 용량 임펄스의 라플라스 변환을 역으로 풀어, 겹치는 시간 상수와 방출 속도의 분포를 해결할 수 있도록 정규화 알고리즘을 적용하였다.
• 기존의 박스카르 DLTS 및 임피던스 분광법(IS)과의 비교를 통해 결과의 일관성을 검증하였으며, 다양한 방법 간 일관성을 확인하였다.
• 추출된 방출 속도와 이온 확산 계수 및 효과적 결함 농도 간의 관계를 나타내는 방출 속도 식 et = e²DNeff / (kBTε₀εR)를 사용하였다.
• 다양한 DLTS 모드에서의 결함 분포를 비교하여 관측된 분포의 강건성과 재현 가능성을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 이전 연구들은 동일한 페르르스카이트 재료에 대해 이온 결함 활성화 에너지에 대해 매우 넓은 범위의 값을 보고하는가?
• RQ2 더 정확한 역변환 방법을 통해 페르르스카이트 태양전지에서 이온 결함의 진짜 방출 속도 분포를 규명할 수 있는가?
• RQ3 다른 DLTS 측정 모드(전류, 광학, 역방향)는 일관된 결함 분포를 제공하는가?
• RQ4 MAPbI₃에서 이온 이동성과 장치의 히스테리시스를 주로 담당하는 이온 종은 무엇인가?
• RQ5 다른 이온 결함의 확산 계수와 농도는 어떻게 비교되며, 기기 성능에 미치는 상대적 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 세 가지의 명백한 이온 종(I⁻ᵢ, V⁻ₘₐ, MA⁺ᵢ)이 확인되었으며, 각각 분포된 확산 계수를 가지며 이산적인 값이 아니었다.
• I⁻ᵢ와 V⁻ₘₐ의 확산 계수는 MA⁺ᵢ보다 약 3개 온도 정도 더 높았으며, 이는 이들의 주요 이동성 기여를 시사한다.
• 모든 세 종류의 이온 결함 농도는 동일한 주기대(약 10¹⁶ cm⁻³) 내에 있어 기기 거동에 유사한 기여를 한다고 판단된다.
• 관측된 확산 계수의 분포가 문헌에서 보고된 활성화 에너지의 광범위한 변동성을 설명한다.
• I-, O-, C-DLTS 세 가지 DLTS 모드 모두 일관된 결함 분포를 제공하였으며, 정규화 기반 분석의 강건성을 확인하였다.
• 결과는 임피던스 분광법 및 박스카르 DLTS와 일치하여 새로운 평가 방법의 타당성을 검증하였다.