[논문 리뷰] Interface Optimization via Fullerene Blends Enables Open-Circuit Voltages of 1.35 V in CH3NH3Pb(I0.8Br0.2)3 Solar Cells

Zhi‐Fa Liu, Johanna Siekmann외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 08.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 CH3NH3Pb(I0.8Br0.2)3 퍼보스카이트 태양전지에서 맞춤형 플루르렌 블랜드를 사용한 전자 수송층 최적화를 통해 1.35 V를 초과하는 개로 전압을 달성함을 보여준다. 전자 수송층의 최저 불완전 궤도(최저 비가용 분자 궤도, LUMO) 수준을 플루르렌 조성으로 조절함으로써 비복사 재결합이 억제되며, Voc-충전 인자 곱은 1.085 V에 도달하여 이 퍼보스카이트 금속 간격에서 보고된 바 중 최고 수준을 기록한다.

ABSTRACT

Non-radiative recombination processes are the biggest hindrance to approaching the radiative limit of the open-circuit voltage for wide-band gap perovskite solar cells. In addition, to high bulk quality, good interfaces and good energy level alignment for majority carriers at charge transport layer-absorber interfaces are crucial to minimize non-radiative recombination pathways. By tuning the lowest-unoccupied molecular-orbital of electron transport layers via the use of different fullerenes and fullerene blends, we demonstrate open-circuit voltages exceeding 1.35 V in CH3NH3Pb(I0.8Br0.2)3 device. Further optimization of mobility in binary fullerenes electron transport layer can boost the power conversion efficiency as high as 18.6%. We note in particular that the Voc-fill factor product is > 1.085 V, which is the highest value reported for halide perovskites with this band gap.

연구 동기 및 목표

• 넓은 금속 간격을 가진 퍼보스카이트 태양전지에서 개로 전압(Voc)을 제한하는 비복사 재결합 손실을 극복하기 위해.
• 전자 수송층(ETL)-퍼보스카이트 인터페이스에서 에너지 준위 정렬을 향상시켜 전압 손실을 최소화하기 위해.
• 플루르렌 블랜드를 이용한 ETL 조성 공학을 통해 전하 이동 특성을 향상시키기 위해.
• CH3NH3Pb(I0.8Br0.2)3 기반 장치에서 Voc를 1.35 V 이상으로 달성하여 복사 한계에 가까이 접근하기 위해.
• 이 퍼보스카이트 조성에서 장치 품질의 핵심 지표인 Voc×충전 인자 곱을 최대화하기 위해.

제안 방법

• 최저 불완전 궤도(LUMO) 에너지 준위를 조절하기 위해 다양한 플루르렌 및 그 블랜드를 전자 수송층(ETL)으로 사용함.
• 퍼보스카이트 흡수체(CH3NH3Pb(I0.8Br0.2)3)와의 에너지 준위 정렬 최적화를 위해 플루르렌 조성을 체계적으로 변화시킴.
• 비복사 재결합 손실을 평가하기 위해 일시적 광전압 및 광전류 측정을 수행함.
• 이중 플루르렌 ETL의 이동도를 최적화하여 전하 추출을 향상시키고 시리즈 저항을 감소시킴.
• 구조화된 ETL을 갖춘 평판형 이종접합 태양전지를 제작하고, AM1.5G 조명 조건 하에서 장치 성능을 특성화함.
• ETL의 전자 구조와 장치 전압 매개변수, 특히 Voc 및 충전 인자 간의 상관관계를 분석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플루르렌 블랜드를 통한 전자 수송층의 LUMO 수준 조절이 CH3NH3Pb(I0.8Br0.2)3 퍼보스카이트 태양전지에서 비복사 재결합에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 인터페이스 최적화된 플루르렌 기반 ETL을 사용할 경우 CH3NH3Pb(I0.8Br0.2)3 태양전지에서 도달 가능한 최대 개로 전압는 얼마인가?
• RQ3 이 퍼보스카이트 조성에서 Voc×충전 인자 곱을 이전에 보고된 값 이상으로 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 이중 플루르렌 ETL의 이동도는 전력 변환 효율과 전압 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 인터페이스 공학을 통해 넓은 금속 간격을 가진 퍼보스카이트 장치에서 비복사 재결합 경로를 어느 정도 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 최적화된 플루르렌 블랜드 전자 수송층을 사용한 CH3NH3Pb(I0.8Br0.2)3 퍼보스카이트 태양전지에서 개로 전압 1.35 V를 달성함.
• Voc×충전 인자 곱은 1.085 V에 도달하여 이 금속 간격을 가진 할라이드 퍼보스카이트에서 보고된 바 중 최고 수준임.
• 플루르렌 블랜드를 통한 ETL의 LUMO 수준 정밀 조절을 통해 비복사 재결합이 크게 억제됨.
• 이중 플루르렌 시스템에서 전자 수송층 이동도 최적화를 통해 전력 변환 효율이 18.6%로 향상됨.
• 연구는 플루르렌 조성에 의한 인터페이스 공학이 넓은 금속 간격 퍼보스카이트에서 복사 한계에 가까이 접근하는 데 실현 가능한 길임을 입증함.
• ETL-퍼보스카이트 인터페이스에서의 에너지 준위 정렬이 전압 손실 최소화에 있어 핵심 요소로 규명됨.