[논문 리뷰] Interplays between charge and electric field in perovskite solar cells: charge transport, recombination and hysteresis

Jiangjian Shi, Huiyin Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 11.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 47인용 수 41

한 줄 요약

이 연구는 페로브스카이트 태양전지에서 전하 운반자와 전기장 간의 동적 상호작용이 전하 이동, 복구 및 히스테리시스를 지배함을 밝혀냈다. 일시적인 전기 측정과 이론적 모델링을 조합함으로써 저자들은 빛에 의해 유도된 운반자 생성이 복구를 증가시키면서도 높은 내부 전기장을 유지함을 입증하였고, 이온 이동에 의해 유도된 정적 전하가 전기장을 크게 왜곡하여 전하 수확 및 복구 동역학이 변화함으로써 히스테리시스를 유도함을 밝혔다.

ABSTRACT

Interplays between charge and electric field, which play a critical role in determining the charge transport, recombination, storage and hysteresis in the perovskite solar cell, have been systematically investigated by both electrical transient experiments and theoretical calculations. It is found that the light illumination can increase the carrier concentration in the perovskite absorber, thus enhancing charge recombination and causing the co-existence of high electric field and free carriers. Meanwhile, the cell shows a similar charge storage and junction mechanism to that of the multicrystalline silicon solar cell, where the junction electric field determines the charge collection and distribution. Furthermore, it is demonstrated that the static charge of both the doping and defect coming from ion (vacancy) migration can significantly influence the electric field inside the cell, thus affecting the charge collection and recombination, which could be the origins for the widely-concerned hysteresis behaviors.

연구 동기 및 목표

• 페로브스카이트 태양전지에서 전하 운반자와 전기장 간의 상호작용을 이해하기 위해.
• 페로브스카이트 태양전지의 안정성과 성능에 큰 장애가 되는 전압-전류 히스테리시스의 근본 원인을 규명하기 위해.
• 이온 이동과 결함 관련 전하가 내부 전기장과 전하 동역학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 접합 행동과 전하 수확 측면에서 페로브스카이트 태양전지와 다결정 실리콘 태양전지 간의 유사성을 탐색하기 위해.
• 작동 조건 하에서 전기장 조절과 복구 손실 간의 기계적 연결 고리를 설정하기 위해.

제안 방법

• 다양한 조명 및 편압 조건 하에서 일시적인 전기 측정을 실시하여 전하 동역학을 탐구하기 위해.
• 이동 가능한 이온과 결함 존재 조건에서 전기장 분포 및 운반자 이동을 모델링하기 위해 이론적 계산을 수행하기 위해.
• 시간 해상도가 높은 전류-전압 응답을 이용해 빛 조명 하에서 고전기장과 자유 운반자가 동시에 존재하는지 분석하기 위해.
• 다결정 실리콘 태양전지와의 전하 저장 및 접합 메커니즘을 비교하기 위해.
• 이온(빈도) 이동이 전기장의 공간 분포와 운반자 복구에 미치는 영향을 모델링하기 위해.
• Rev. Sci. Instrum. 87, 123107 (2016) 실험 설정을 사용하여 이론적 예측을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빛 조명은 페로브스카이트 태양전지에서 운반자 농도와 전기장 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 이온 이동은 내부 전기장을 조절하고 히스테리시스를 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 결함에 의해 유도된 전하와 도핑 농도는 전하 수확 효율에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 페로브스카이트 태양전지의 전하 이동 및 복구 메커니즘은 다결정 실리콘 태양전지와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 작동 조건 하에서 고전기장과 자유 운반자가 동시에 존재하는 원인의 근본 원인은 무엇인가?

주요 결과

• 빛 조명은 페로브스카이트 흡수층 내 운반자 농도를 증가시켜 복구를 증가시키고, 고전기장과 자유 운반자가 동시에 존재하는 현상을 유도한다.
• 이 세포는 전기장이 전하 수확 및 분포를 지배하는 다결정 실리콘 태양전지와 유사한 전하 저장 및 접합 메커니즘을 나타낸다.
• 이온 이동은 빈도와 도핑제에서 기인한 정적 전하를 생성하며, 이는 내부 전기장을 크게 왜곡하고 운반자 동역학을 변화시킨다.
• 이러한 이온에 의해 유도된 전하 분포는 페로브스카이트 태양전지에서 전압-전류 히스테리시스의 주요 원인으로 규명되었다.
• 이론적 모델링은 이동 가능한 이온에 의한 전기장 조절이 직접적으로 전하 복구와 수확 효율에 영향을 준다는 것을 확인하였다.
• 본 연구는 작동 조건 하에서 전기장의 변화를 통해 전하 이동, 복구 및 히스테리시스를 연결하는 통합적인 프레임워크를 수립하였다.