[论文解读] Two-Terminal Tandem Solar Cells based on Perovskite and Transition Metal Dichalcogenides

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

Perovskite Materials and Applications被引用 8

一句话总结

本研究提出了一种使用甲基铵铅碘钙钛矿（CH3NH3PbI3，Eg = 1.55 eV）作为顶子电池、二碲化钼（MoTe2，Eg = 1.1 eV）作为底子电池的两终端（2T）全外延叠层太阳能电池。通过SCAPS-1D模拟，在AM 1.5G光照条件下，该叠层结构的最大功率转换效率（PCE）达到35.3%，高于单结钙钛矿（26.2%）和MoTe2（30.3%）电池，凸显其在高效、柔性光伏领域的潜力。

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.

研究动机与目标

• 探索使用钙钛矿和过渡金属二硫属化物（TMDCs）作为吸收层材料的两终端（2T）全外延叠层太阳能电池的可行性。
• 通过设计带隙匹配优化的叠层结构，突破单结钙钛矿太阳能电池的Shockley-Queisser极限（约33%的上限）。
• 评估钙钛矿/TMDC叠层电池的性能，特别关注MoTe2作为稳定、柔性底吸收层的潜力及其可调带隙特性。
• 利用器件模拟确定实现电流密度匹配和最大功率转换效率（PCE）的最优层厚度。
• 推动此类柔性、高效叠层太阳能电池的实验实现，以支持可扩展的卷对卷制造工艺。

提出的方法

• 使用SCAPS-1D（版本3.3.08）进行器件模拟，以建立单结钙钛矿和MoTe2太阳能电池以及2T叠层结构的模型。
• 应用滤波光谱法：利用顶层钙钛矿子电池透射后的光谱作为底层MoTe2子电池的入射光源。
• 系统性地改变吸收层厚度（CH3NH3PbI3为150 nm，MoTe2为407 nm），以实现子电池间的电流密度匹配。
• 计算关键性能参数：开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）、填充因子（FF）和功率转换效率（PCE）。
• 比较不同TMDC材料（MoTe2、WS2、WSe2）作为底子电池时的PCE，以确定最优组合。
• 采用标准AM 1.5G太阳光谱，并通过顶子电池的透射特性进行滤波，以模拟真实叠层工作条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合钙钛矿和MoTe2的两终端叠层太阳能电池是否能实现高于单结钙钛矿或MoTe2电池的功率转换效率？
• RQ2 为实现电流密度匹配并最大化PCE，钙钛矿和MoTe2吸收层的最优厚度是多少？
• RQ3 顶子电池输出的滤波光谱如何影响2T叠层结构中底子电池的性能？
• RQ4 与硅或CIGS相比，使用MoTe2作为底子电池是否在稳定性和柔性方面具有优势？
• RQ5 在2T叠层结构中，与钙钛矿配对时，哪种TMDC材料（MoTe2、WS2、WSe2）能实现最高的PCE？

主要发现

• 在AM 1.5G光照条件下，以CH3NH3PbI3（1.55 eV）为顶子电池、MoTe2（1.1 eV）为底子电池的2T叠层太阳能电池，最大功率转换效率（PCE）达到35.3%。
• 当CH3NH3PbI3顶层厚度为150 nm、MoTe2底层厚度为407 nm时，实现电流密度匹配，电流密度为16.3 mA/cm²。
• 叠层结构的开路电压（Voc）达到2.4 V，显著高于各子电池Voc之和，这是由于串联连接所致。
• 叠层电池的填充因子（FF）为90.3%，表明模拟结构中复合损失低，界面质量高。
• 单结钙钛矿和MoTe2太阳能电池的PCE分别为26.2%和30.3%，证实了叠层结构的优越性能。
• 在所测试的TMDC材料中，MoTe2与钙钛矿配对时在叠层结构中实现了最高的PCE，优于WS2和WSe2的模拟结果。