[논문 리뷰] Integrating transfer matrix method into SCAPS-1D for addressing optical losses and per-layer optical properties in perovskite/Silicon tandem solar cells

Peymaneh Rafieipour, Aminreza Mohandes외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 02.

Perovskite Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 SCAPS-1D에 전이행렬(TM) 방법을 통합하여 페로브스카이트/silicon 테라다이드 태양전지에서 각 층의 광학 손실을 정확하게 모델링하고 태양전지 성능을 향상시킨다. 기존의 비어-암베르트(Beer-Lambert) 방법을 대체함으로써 TM 방법은 약 4%의 효율 과대평가를 감소시키며, 복합재조합접합(RJ) 층의 최적화를 가능하게 하여 ITO 부층을 포함한 경우 기기 효율을 19.81%에서 23.10%로 높인다.

ABSTRACT

SCAPS-1D software ignores optical losses and recombination junction (RJ) layer in studying tandem solar cells (TSCs). This paper presents an optoelectronic study of a perovskite/Silicon TSC, comparing the effects of using two different methods of calculating filtered spectra on the photovoltaic performance parameters of tandem device. It is shown that integrating transfer matrix (TM) method into SCAPS-1D addresses per-layer optical losses and provides a platform for optimizing the RJ layer in TSCs. Using Beer-Lambert (BL) method for calculating the filtered spectra transmitted from the perovskite top sub-cell is revealed to overestimate the cell efficiency by ~4%, due to its inability to fully address optical losses. Also, the BL method fails to tackle any issues regarding optical improvement through ITO ad-layer on the RJ. Using TM formalism, the efficiency of the proposed perovskite/Silicon TSC is shown to be increased from 19.81% to 23.10%, by introducing the ITO ad-layer on the RJ. It is the first time that the effect of filtered spectrum calculation method is clearly investigated in simulating TSCs with SCAPS-1D. The results pave the way to introduce the optical loss effects in SCAPS-1D and demonstrate that the BL method that has been used before needs to be revised.

연구 동기 및 목표

• SCAPS-1D 시뮬레이션에서 테라다이드 태양전지의 장기적인 광학 손실 및 각 층의 광학적 특성 생략 문제를 해결하기 위해.
• 특히 비어-암베르트(BL)와 전이행렬(TM)을 비교하여 필터링된 스펙트럼 계산 방법의 영향을 평가하기 위해.
• SCAPS-1D에 TM 방법을 통합하여 페로브스카이트/silicon 테라다이드 장치에서 광학 현상을 정확하게 모델링할 수 있는 가능성과 이점들을 입증하기 위해.
• ITO 부층이 복합재조합접합에서 광학적 투과도 및 전체 기기 효율을 향상시키는 데 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 전이행렬(TM) 방법을 SCAPS-1D에 구현하여 페로브스카이트/silicon 테라다이드 태양전지의 각 층을 통과하는 광학적 투과도, 반사도 및 흡수도를 모델링한다.
• TM 수식은 간섭 효과와 층별 광학적 특성을 고려하여 장치 스택을 통과하는 필터링된 스펙트럼을 정확하게 계산할 수 있도록 한다.
• 기준 비교를 위해 비어-암베르트(BL) 방법을 사용하며, 이는 간섭 현상이나 다층 광학 결합을 고려하지 않고 지수 감쇠를 가정한다.
• 표준 페로브스카이트/silicon 테라다이드 셀에 복합재조합접합(RJ) 층을 포함하고 광학적 향상을 위한 ITO 부층을 포함한 시뮬레이션 프레임워크를 적용한다.
• 각 층에 대해 실험 데이터나 문헌 값에 기반한 굴절률 및 흡수계수를 할당한다.
• BL 및 TM 방법 간의 비교를 위해 전류밀도(Jsc), 개방전압(Voc), 형상계수(FF), 효율 등의 태양전지 성능 지표를 추출하고 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SCAPS-1D에서 필터링된 스펙트럼 계산 방법의 선택(비어-암베르트 대비 전이행렬)이 페로브스카이트/silicon 테라다이드 태양전지의 시뮬레이션 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비어-암베르트 방법이 광학 손실을 정확히 모델링하지 못함으로써 기기 효율을 얼마나 과대평가하는가?
• RQ3 SCAPS-1D에 TM 방법을 통합함으로써 복합재조합접합 층의 최적화를 통해 광학적 투과도를 효과적으로 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 복합재조합접합에 ITO 부층을 추가함으로써 전체 광학적 및 전기적 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 TM 기반 시뮬레이션은 기존에 고려되지 않았던 광학 손실이 기기 성능에 상당한 영향을 미치는가?

주요 결과

• 비어-암베르트 방법은 간섭 현상과 각 층의 광학 손실을 정확히 모델링하지 못함으로써 테라다이드 태양전지의 효율을 약 4% 과대평가한다.
• 전이행렬 방법은 페로브스카이트 상부 셀과 복합재조합접합에서의 광학 손실이 상당하고 이전에 SCAPS-1D 시뮬레이션에서 과소평가되었음을 드러낸다.
• TM 방법을 사용할 경우 복합재조합접합에 ITO 부층을 도입함으로써 기기 효율이 19.81%에서 23.10%로 향상되며, 정밀한 광학 모델링의 중요성을 입증한다.
• TM 방법은 ITO와 같은 나노막대 또는 Dopant 층의 광학적 향상 효과를 정확하게 평가할 수 있으며, 이는 BL 방법이 이를 포착하지 못함을 의미한다.
• 이 연구는 SCAPS-1D에서 테라다이트 태양전지에 대해 BL 및 TM 방법을 직접 비교한 최초의 사례로, BL 방법이 신뢰할 수 있는 시뮬레이션을 위해 재검토되어야 한다는 것을 입증한다.
• SCAPS-1D에 TM 방법을 통합함으로써 페로브스카이트/silicon 테라다이드 태양전지에서 광학 설계 최적화를 위한 견고한 플랫폼을 제공한다.