[논문 리뷰] Light management in highly-textured perovskite solar cells: From full-device ellipsometry characterization to optical modelling for quantum efficiency optimization

Chenxi Ma, Daming Zheng외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 27.

Perovskite Materials and Applications참고 문헌 52인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 거칠은 FTO 기판(43 nm RMS)을 갖는 고도로 문질러진 퍼보스카이트 태양전지(PSCs)에서 빛 관리 특성을 특성화하기 위해 가변 각도 스펙트로스코픽 엘립소미메트리(VASE) 기반의 일차원 광학 모델을 제시한다. VASE, SEM, 산란 투과도 및 EQE 측정을 융합하여 저자들은 전체 장치의 광학적 반응을 정확히 모델링하고 내부 양자 효율을 최적화하며 주요 손실 메커니즘과 문질러진 PSCs에서의 향상된 빛 흡수를 위한 전략을 규명한다.

ABSTRACT

While perovskite solar cells (PSCs) are now reaching high power conversion efficiencies (PCEs), further performance improvement requires a fine management and an optimization of the light pathway and harvesting in the cells. These go through an accurate understanding, characterization and modelling of the optical processes occurring in these complex, often textured, multi-layered systems. In the present work, we have considered a typical methylammonium lead iodide (MAPI) solar cell built on a fluorine-doped tin oxide (FTO) electrode of high roughness (43 nm RMS). By variable-angle spectroscopic ellipsometry (VASE) of the full PSC device, we have been able to determine the optical constants of all the device layers. We have designed a one-dimensional (1D) optical model of the stacked layers where the rough texture is described as layers of effective-medium index. We have supported the model using data extracted from scanning electron microscopy, diffuse spectroscopy and photovoltaic efficiency measurements. We show that the 1D model, while insufficient to describe scattering by the FTO plate alone, gives an accurate description of the full device optical properties. By comparison with the experimental external quantum efficiency (EQE), we estimate the internal quantum efficiency (IQE) and the effect of the losses related to electron transfer. Based on this work, we finally discuss the optical losses mechanisms and the possible strategies that can be implemented to improve light management within PSC devices and further increase their performances.

연구 동기 및 목표

• 고도로 문질러진 퍼보스카이트 태양전지에 대한 신뢰할 수 있는 광학 모델을 개발하기 위해.
• 각 제조 단계에서 가변 각도 스펙트로스코픽 엘립소미메트리(VASE)를 사용하여 전체 장치의 광학적 특성을 특성화하기 위해.
• 3D FDTD 시뮬레이션과 실험 데이터를 기반으로 1D 효과적 매질 근사(EMA) 모델을 검증하기 위해.
• 외부(SEQE)와 내부 양자 효율(IQE)을 비교하여 광학적 손실과 전하 이동 효과를 분리하기 위해.
• 문질러진 PSCs에서 전력 변환 효율 향상을 위한 빛 관리 전략을 규명하고 제안하기 위해.

제안 방법

• 300–2000 nm 범위에서 50°, 60°, 70° 입사 각도로 전체 PSC 장치에 대해 가변 각도 스펙트로스코픽 엘립소미메트리(VASE)를 수행하였다.
• 전이 매트릭스 방법(TMM)을 사용하여 쌓인 다층막의 1D 광학 모델을 구축하였으며, 거칠은 FTO 및 TiO2 인터페이스를 나타내기 위해 EMA 층을 활용하였다.
• Lumerical 소프트웨어를 사용하여 거칠기 파rameter(RMS 50 nm for FTO, 30 nm for mesoporous TiO2, 상관 길이 100 nm)로 3D FDTD 시뮬레이션과 1D 모델을 검증하였다.
• 스캐닝 전자현미경(SEM), 원자력 현미경(AFM), 산란 투과도 스펙트로스코피 및 태양전지 EQE 측정을 통해 모델 예측을 확인하였다.
• 이론적 빛 흡수 효율을 계산하고 실험적 EQE와 비교하여 IQE를 유도하며 전자 이동 손실을 평가하였다.
• 검증된 모델을 사용하여 빛 포획 향상을 위한 잠재적 광학 공학 전략을 시뮬레이션하고 논의하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거칠은 FTO 기판을 갖는 전체 문질러진 PSC 장치의 광학적 반응을 정확히 기술할 수 있는 1D 효과적 매질 모델이 가능한가?
• RQ2 거칠기 유도 산란과 군집 수치 기울기가 PSCs의 빛 흡수 및 내부 양자 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 3D FDTD 시뮬레이션과 비교할 때 1D 모델이 문질러진 PSCs에서의 투과도 및 반사도 예측에서 얼마나 벗어나는가?
• RQ4 관측된 EQE 반응에서 광학적 손실과 전하 이동 비효율성의 기여도는 어느 정도인가?
• RQ5 고도로 문질러진 PSCs에서 성능 향상을 위한 가장 효과적인 빛 관리 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 높은 FTO 거칠기(43 nm RMS)에도 불구하고 1D VASE 기반 모델이 3D FDTD 시뮬레이션과의 최소한의 편차로 전체 장치의 광학적 특성을 정확히 기술한다.
• 효과적 매질 근사(EMA)는 낮은 군집 수치 대비에서 FTO 및 TiO2 층의 거칠기 효과를 성공적으로 캡처한다.
• 계산된 빛 흡수 효율과 측정된 외부 양자 효율(EQE) 간 양호한 일치를 보였으며, 이는 모델의 예측 능력을 검증한다.
• 내부 양자 효율(IQE)은 흡수 스펙트럼 전반에서 정량화되었으며, MAPI 층의 빛 침투 깊이가 전자 이동 효율에 상당한 영향을 미친다는 것이 밝혀졌다.
• 연구는 반사 및 거칠은 인터페이스에서의 산란 등 주요 광학적 손실 메커니즘을 규명하고, 향상된 빛 관리를 위한 타겟팅된 전략을 제안한다.
• 모델을 통해 반사 방지 코팅, 계약 수치층, 최적화된 문질러진 구조 설계와 같은 설계 개선 가능성을 식별할 수 있으며, 이는 빛 포획 향상에 기여한다.