[논문 리뷰] Removing Leakage and Surface Recombination in Planar Perovskite Solar Cells

Kristofer Tvingstedt, Lidón Gil‐Escrig외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 18.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 62인용 수 145

한 줄 요약

논문은 PEDOT:PSS를 polyarylamine으로 대체하여 평면 메틸암모늄 리드 아이오다이드 태양전지에서 누설(셔런) 손실을 3차 감소시키고, 저광 조건에서의 작동을 개선하며 표면 재결합을 감소시켰음을 보여준다.

ABSTRACT

Thin-film solar cells suffer from various types of recombination, of which leakage current usually dominates at lower voltages. Herein, we demonstrate first a three-order reduction of the shunt loss mechanism in planar methylammonium lead iodide perovskite solar cells by replacing the commonly used hole transport layer poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) with a better hole-selective polyarylamine. As a result, these cells exhibit superior operation under reduced light conditions, which we demonstrate for the extreme case of moonlight irradiance, at which open-circuit voltages of 530 mV can still be obtained. By the shunt removal we also observe the VOC to drop to zero after as long as 2 h after the light has been switched off. Second, at higher illumination intensities the dominant losses in the PEDOT:PSS-based cell are ascribed to surface recombination and are also proven to be substantially minimized by instead employing the polyarylamine. We attribute the reduced shunt and surface recombination to the far better suited semiconductor character of the polyarylamine, compared to that of PEDOT:PSS, efficiently blocking electrons from recombining at this electrode.

연구 동기 및 목표

• 평면 페로브스카이트 태양전지에서 누설/셔런 손실의 원인 제시와 정량화를 목표로 한다.
• 홀 트랜스포트층 선택이 재결합 및 소자 성능에 미치는 영향을 조사한다.
• 대체 홀-선택층을 사용하여 저광 조건에서의 작동 및 표면 재결합의 개선을 보여준다.

제안 방법

• 평면 MAPbI3 태양전지에서 PEDOT:PSS를 홀 선택성 polyarylamine으로 교체한다.
• 달빛 수준의 조사광을 포함한 감소된 조도에서 소자 성능을 특성화한다.
• 누설 전류와 표면 재결합에 대한 홀 트랜스포트층의 영향을 분석한다.
• 전극에서의 전자 재결합 차단을 더 잘하는 폴리아라이라민의 반도체 특성에 성능 향상을 귀속한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 평면 페로브스카이트 태양전지에서 홀 트랜스포트층의 선택이 누설/셔런 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 조도에서 PEDOT:PSS를 polyarylamine으로 대체하는 것이 표면 재결합 및 누설을 어느 정도까지 감소시키는가?
• RQ3 저조도 및 광이 차단된 후 열려 있는 회로 전압에 개선된 홀 선택성의 영향은 무엇인가?

주요 결과

• PEDOT:PSS를 polyarylamine으로 교체하면 셔런 손실이 3차 감소한다.
• 달빛 조사하에서 개방전압은 최대 530 mV까지 달성된다.
• 조명이 꺼진 후 약 2시간 내에 셔런 제거로 VOC가 0으로 떨어지는 현상(누설 감소를 보여줌).
• 고조도에서의 표면 재결합 손실은 홀-전송/선택층으로 polyarylamine을 사용하여 상당히 최소화된다.
• 폴리아라이라민의 개선된 반도체 특성이 전자가 전극에서 재결합하는 것을 더 효과적으로 차단한다.