[논문 리뷰] Two-Terminal Tandem Solar Cells based on Perovskite and Transition Metal Dichalcogenides

Harishankar Suman, Anil Kumar|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 26.

Perovskite Materials and Applications인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 상부 하위세포로 메틸아미늄 페로브스카이트 (CH3NH3PbI3, Eg = 1.55 eV)를, 하부 하위세포로 무디늄 딜레우라이드 (MoTe2, Eg = 1.1 eV)를 사용한 이단자 (2T) 박막 태양전지 구조를 제안한다. SCAPS-1D 시뮬레이션을 통해 이 투자구조는 AM 1.5G 조명 조건에서 최대 전환 효율(PCE) 35.3%를 달성하였으며, 단일 접합 페로브스카이트(26.2%) 및 MoTe2(30.3%) 전지보다 뛰어나, 유연한 고효율 광전지의 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

Perovskite solar cells have shown power conversion efficiencies (PCE) comparable to cystalline silicon solar cell despite involving low-temperature, solution based synthesis processes outside clean room environment. As the theoretical PCE of a perovskite solar cell with band gap 1.55 eV is capped to 33 % due to Shockley-Queisser limit, tandem configurations are being investigated to go beyond this limit. Here, we propose a two-terminal (2T) tandem solar cell structure consisting of perovskite and multilayer transition metal dichalcogenide as the absorber layers of the top and the bottom subcells, respectively and investigate their performance parameters using Solar Cell Capacitance Simulator-1 Dimension (SCAPS-1D) software package. We demonstrate that the 2T tandem solar cell consisting of CH3NH3PbI3 with band gap 1.55 eV and MoTe2 with bandgap 1.1 eV shows PCE of maximum 35.3 % under AM 1.5 G illumination. This work motivates experimental realization of such solar cells for further investigation.

연구 동기 및 목표

• 페로브스카이트와 전이금속 디 chalcogenide(TMDCs)를 흡수체 재료로 사용한 이단자(2T) 박막 태양전지의 실현 가능성을 탐색하기 위해.
• 단일 접합 페로브스카이트 태양전지의 쇼크리-퀴저 한계(약 33%로 제한됨)를 넘어선다. 최적의 밴드 갭 정렬을 갖춘 이단자 구조 설계를 통해.
• 특히 밴드 갭 조절이 가능한 안정적이고 유연한 하부 흡수체로 MoTe2를 사용한 페로브스카이트/TMDC 이단자 전지의 성능을 평가하기 위해.
• 기기 시뮬레이션을 통해 전류 밀도 일치와 최대 전환 효율(PCE)을 달성하기 위한 최적의 층 두께를 규명하기 위해.
• 유연하고 고효율 이단자 태양전지의 실험적 실현을 유도하여, 대량 생산이 가능한 롤 투 롤 제조 공정에 기여하기 위해.

제안 방법

• SCAPS-1D(버전 3.3.08)를 사용한 기기 시뮬레이션을 통해 단일 접합 페로브스카이트 및 MoTe2 태양전지와 2T 이단자 구조를 모델링하였다.
• 필터링된 스펙트럼 방법 적용: 상부 페로브스카이트 하위세포를 통과한 투과 스펙트럼을 하부 MoTe2 하위세포의 조명으로 사용하였다.
• 흡수체 층 두께를 체계적으로 변화시켜(상부 CH3NH3PbI3는 150 nm, 하부 MoTe2는 407 nm) 하위세포 간 전류 밀도 일치를 달성하였다.
• 주요 성능 파rameter 계산: 개방전압(Voc), 단락전류밀도(Jsc), 전면계수(FF), 전환 효율(PCE).
• 다양한 TMDCs(MoTe2, WS2, WSe2)를 하부 하위세포로 사용하여 최적의 조합을 규명하기 위해 PCE 비교를 수행하였다.
• 실제 이단자 작동 조건을 반영하기 위해 표준 AM 1.5G 태양 스펙트럼을 사용하고, 상부 하위세포를 통과한 투과 스펙트럼을 필터링하여 시뮬레이션을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페로브스카이트와 MoTe2를 조합한 이단자(2T) 태양전지가 단일 접합 페로브스카이트 또는 MoTe2 전지보다 더 높은 전환 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 전류 밀도 일치와 최대 PCE를 달성하기 위해 페로브스카이트 및 MoTe2 흡수체 층의 최적 두께는 얼마인가?
• RQ3 상부 하위세포에서 유도된 필터링된 스펙트럼이 2T 이단자 구성에서 하부 하위세포의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이단자 구조에서 실리콘 또는 CIGS에 비해 MoTe2를 하부 하위세포로 사용할 경우 안정성과 유연성 측면에서 우수한 이점을 제공하는가?
• RQ5 페로브스카이트와 2T 이단자 구조에서 조합했을 때 MoTe2, WS2, WSe2 중 어떤 TMDC 재료가 가장 높은 PCE를 나타내는가?

주요 결과

• CH3NH3PbI3(1.55 eV)를 상부 하위세포로, MoTe2(1.1 eV)를 하부 하위세포로 사용한 2T 이단자 태양전지는 AM 1.5G 조명 조건에서 최대 전환 효율(PCE) 35.3%를 달성하였다.
• CH3NH3PbI3 상부 층 두께 150 nm와 MoTe2 하부 층 두께 407 nm에서 전류 밀도 일치가 달성되었으며, 이로 인해 전류 밀도는 16.3 mA/cm²를 기록하였다.
• 이단자 구조의 개방전압(Voc)은 2.4 V에 도달하였으며, 이는 직렬 연결에 의해 개별 하위세포의 Voc 합보다 뚜렷하게 높아, 전기적 이점이 있음을 시사한다.
• 이단자 전지의 전면계수(FF)는 90.3%로 나타나, 재결합 손실이 낮고 시뮬레이션된 구조의 고품질 인터페이스를 반영한다.
• 단일 접합 페로브스카이트 및 MoTe2 태양전지는 각각 26.2%와 30.3%의 PCE를 기록하였으며, 이는 이단자 구조의 뛰어난 성능을 확인한다.
• 시험한 TMDCs 중에서 MoTe2는 페로브스카이트와 조합했을 때 가장 높은 PCE를 기록하였으며, WS2 및 WSe2보다도 뛰어난 성능을 보였다.