[논문 리뷰] Pathways towards 30% efficient perovskite solar cells

Jonas Diekmann, Pietro Caprioglio외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 16.

Perovskite Materials and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 실험적으로 검증된 조건들—10 µs의 부피 수명, 100 cm/s의 인터페이스 재결합 속도, 1.47 eV의 밴드 갭, 95%의 EQE를 포함—하에, 고도로 도핑된(10^19 cm⁻³) 두꺼운 운반체층 또는 자가 조립 단일층과 같은 초박막 비도핑층을 통해 내재 전위(V_BI)를 최적화함으로써 페로브스카이트 태양전지가 최대 31%의 전력 변환 효율을 달성할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Perovskite semiconductors have demonstrated outstanding external luminescence quantum yields, therefore potentially allowing power conversion efficiencies (PCE) close to the thermodynamic limits. However, the precise conditions that are required to advance to an efficiency regime above monocrystalline silicon cells are not well understood. In this work, we establish a simulation model that well describes efficient p-i-n type perovskite solar cells (PCE~20%) and a range of different experiments helping to quantify the efficiency-limiting processes in state-of-the-art devices. Based on these results, we studied the role of important device and material parameters with a particular focus on chemical doping, carrier mobilities, energy level alignment and the built-in potential (V_BI) across all stack layers. We demonstrate that an efficiency regime of 30% can be unlocked by optimizing the built-in potential across the perovskite layer by using either highly doped (10^19 cm-3) thick transport layers (TLs) or ultrathin undoped TLs, e.g. self-assembled monolayers. Importantly, we only consider parameters that have been already demonstrated in recent literature, that is a bulk lifetime of 10 us, interfacial recombination velocities of 100 cm/s, a perovskite bandgap (E_gap) of 1.47 eV and an EQE of 95%. A maximum efficiency of 31% is obtained for a bandgap of 1.4 eV using doped TLs. The results of this paper promise continuous PCE improvements until perovskites may become the most efficient single-junction solar cell technology in the near future.

연구 동기 및 목표

• 최신 p-i-n 페로브스카이트 태양전지에서 효율을 제한하는 주요 과정을 규명하기.
• 페로브스카이트 태양전지에서 30% 이상의 전력 변환 효율을 달성하기 위한 조건을 규명하기.
• 화학 도핑, 캐리어 이동도, 에너지 준위 정렬 및 내재 전위 등의 장치 및 물질적 파라미터가 효율에 미치는 영향을 평가하기.
• 실험적으로 입증된 파라미터만을 사용하여 30% 효율에 도달하는 실용적인 길을 제안하기.
• 고효율 페로브스카이트 장치에서의 실험 데이터를 정확히 반영하는 시뮬레이션 모델 수립하기.

제안 방법

• 고효율 p-i-n 페로브스카이트 태양전지(효율 ~20%)의 실험 데이터에 캘리브레이션된 종합적인 시뮬레이션 모델 개발.
• 화학 도핑 농도(최대 10^19 cm⁻³), 캐리어 이동도, 에너지 준위 정렬 및 내재 전위(V_BI) 등 핵심 파라미터의 체계적 변동.
• 페로브스카이트 밴드 갭(1.47 eV), 외부 양자 효율(EQE) 95%, 인터페이스 재결합 속도 100 cm/s를 포함한 장치 모델 사용.
• 두 가지 다른 운반체층(TL) 구조—두꺼운 고도로 도핑된 TL과 초박막 비도핑 TL(예: 자가 조립 단일층)의 평가.
• 모든 스택 층에 걸쳐 V_BI를 정량적으로 분석하여 효율 극대화에 기여하는 역할 규명.
• 단일 접합 태양전지의 열역학적 한계에 가까워지기 위해 밴드 갭을 1.4 eV로 최적화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 최신 페로브스카이트 태양전지에서 효율을 제한하는 주요 과정은 무엇인가?
• RQ2 페로브스카이트 층에서의 내재 전위(V_BI)가 전력 변환 효율에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 실험적으로 입증된 물질 및 장치 파라미터만을 사용해 30%의 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ4 고도로 도핑된 두꺼운 층과 초박막 비도핑 층 중 어느 운반체층 설계가 V_BI와 효율을 더 잘 향상시키는가?
• RQ5 실제 장치 조건 하에서 효율을 극대화하기 위한 최적의 페로브스카이트 밴드 갭은 무엇인가?

주요 결과

• 고도로 도핑된(10^19 cm⁻³) 운반체층을 사용할 경우, 페로브스카이트 밴드 갭을 1.4 eV로 조정함으로써 최대 31%의 전력 변환 효율이 예측된다.
• 페로브스카이트 층에서의 내재 전위(V_BI)는 효율을 결정하는 주요 요인이며, 최적화를 통해 30% 효율 영역에 도달할 수 있다.
• 자기 조립 단일층과 같은 초박막 비도핑 운반체층은 두꺼운 도핑 층의 대안으로 V_BI 향상에 효과적인 것으로 입증되었다.
• 시뮬레이션 모델은 고효율 p-i-n 페로브스카이트 태양전지(효율 ~20%)의 실험 결과를 검증된 파라미터 조건 하에서 정확히 재현한다.
• 부피 수명 10 µs, 인터페이스 재결합 속도 100 cm/s, EQE 95% 조건 하에서 모델은 30% 효율 달성이 가능함을 확인한다.
• 최근 문헌에서 이미 입증된 파라미터만을 사용하여 30% 효율에 도달하는 명확한 길이 제시되었으며, 이는 근초기 실용 가능성을 시사한다.