ペロブスカイト太陽電池 (PSC) は用途が広く、日常生活に有望なデバイスです。この研究では、研究者はシミュレーションによって、ETL ベースの両面ペロブスカイト太陽電池をフレキシブルデバイス向けに最適化します。このプロセスは、適切な前面透明電極 (FTE)、正孔輸送層 (HTL)、および背面透明電極 (RTE) を選択することによって行われます。
フレキシブルデバイス向け ETL ベースの両面ペロブスカイト太陽電池
観察されたのは、 ペロブスカイトセルデバイスの電力変換効率（PCE）が大幅に向上しましたこれは、FTE/ペロブスカイトの界面に小さな伝導帯オフセット (CBO) を持つ井戸のような構造によって可能になりました。ただし、HTL の価電子帯の上方シフトによりパフォーマンスの低下が確認されました。
ハイライト
- フレキシブルデバイス向けに ETL フリーの両面ペロブスカイトを最適化します。
- ペロブスカイト界面の CBO を最小限に抑えることで、デバイスのパフォーマンスを向上させることができます。
- RTE のバンドギャップと電子親和力は、デバイスのパフォーマンスに大きな影響を与えます。
- ペロブスカイトの 1.4 eV が最適化されています。
- どちらの照明条件でも、デバイスは PCE > 27% を示します。
ペロブスカイト太陽電池の電力変換効率（PCE）は 3.8年間で26.1%からXNUMX%に増加そのため、有機無機金属ハロゲン化物ペロブスカイト太陽電池は最近大きな注目を集めています。
しかし、フレキシブルPSCの開発は、電子輸送層（ETL）の焼結温度が高いために遅れています。反転PSCでは、研究者は主に ETLとして[6,6]-フェニル-C61-酪酸メチルエステル（PCBM）を使用 効率を高めるためです。PCBM は高価なため、デバイスに組み込むとデバイス全体の費用が増加します。
当時の研究者 ETLフリーのPSCを試した これらは最も有望で受け入れ可能なデバイスです。このアプローチは構成が簡単で、複雑な準備が不要になるため、必要な時間とエネルギーが削減されます。
簡単な事実: Liuらは、 最初のPCE 持って 13.5% .
現在の PCE セルの効率は 20 ～ 22% ですが、電荷転送速度の不均衡により、まだ遅れをとっています。
理由: ETL が存在しない場合は永続的な組み込みフィールドが不足しています。
さまざまなアプローチを検討する
研究者は、集光器、2 つ以上の異なるバンドギャップを直列に並べた PV 材料、および両面アプローチの使用を検討しました。これらすべては、デバイスのパフォーマンスを向上させ、この技術の広範な採用を促進することを目的としています。両面設計はシンプルで安価なため、背面に透明電極を追加することで、わずかに高いコストで電力変換効率が向上します。
透明電極を設置することで、両端から光がシステムに入ることができる。これにより、両面ソーラーパネルは 30%以上のPCE向上を実現 両面受光パネルと比較すると、両面受光パネルの方が優れています。ただし、傾斜角、地表面反射率、地上からの高さなど、同じことを決定するさまざまな要因があります。さらに、両面受光パネルとフレキシブル太陽電池技術の利点を組み合わせると、効率的で多用途な太陽エネルギー収集デバイスを実現できます。
ETLフリーのフレキシブル両面PSCの用途:
- 店舗の折りたたみ式シェード
- 折りたたみ式窓カバー
- 帆の上で
- あるいはビーチの傘
フレキシブル PSC はロールツーロール方式で加工することができ、低コストのフレキシブル層でカプセル化することができます。フレキシブル両面 PSC は、まだ研究開発段階にある新しい技術ですが、目覚ましい進歩を遂げています。
ある取り組みでは、 NREL、リサイクル可能な樹脂から風力タービンブレードを開発.
シミュレーションの助けにより、研究者は背面透明電極 (RTE) の望ましいパラメータや特性を簡単に達成できました。これにより、デバイスの最適なパフォーマンスを実現できます。現在のシミュレーション作業では、研究者は、次の図に示すように、ETL フリーの両面をコピーしました。
研究者らは、異なる電極、界面欠陥層、正孔輸送層を備えたフレキシブル太陽電池を観察し、バンドアラインメントとポテンシャル障壁が全体的な性能を向上させることを発見した。さらに、 ペロブスカイト吸収体のバンドギャップを27 eVに最適化することで、さまざまな条件下で1.4%を超える効率を達成しました。.
デバイスの構造とシミュレーションパラメータ ETLベースのペロブスカイト
- 研究者らは、提案されたデバイスのシミュレーションに 1 次元太陽電池容量シミュレータ (SCAPS-XNUMXD) パッケージを使用しました。
- また、検証済みのデバイスから両面デバイスを設計するために、Au を透明電極 Cu/Cu2O 複合層に置き換えました。
- FTE として機能するために、Passivated-FTO (PFTO) が使用されました。
結果と考察
前面透明電極（FTE）の効果
ETLフリーPSCでは、効率的な電荷輸送のために、FTEは高い透明性とバンドアライメントの改善を考慮して設計される必要がある。研究者らは、次のようなさまざまなFTEを明らかにしてきた。 ジルコニウム添加In2O3 (Zr:In2O3)、ITO、アルミニウムドープZnO (Al:ZnO)、および不動態化/改質FTO (PFTO)。低温では、これらの電極をフレキシブル基板上に堆積するのは簡単でした。
次のバンド図から、0 に近い FTE インターフェースの CBO がより高い PCE を引き出したことがわかります。ITO の電界の方向は HTL インターフェースと反対であり、効率的な電荷輸送には適していません。
これは、FTE に向かって流れる電子に対する電位障壁と見なされます。CBO 値が小さいデバイスは、再結合プロファイルに従って、FTE インターフェースでの再結合が少ないことを示しています。FTE インターフェースでの CBO のマイナス変化に伴い、FTE の電子親和力が増加します。これは、隣接する層間の電子親和力の差によるものです。
FTE 層の厚さが増すにつれて、FTO 側から照射されたときのデバイスの PCE は減少します。ただし、背面照射では大きな変化は見られませんでした。
KAUST、効率33.7%で安定したペロブスカイトシリコンタンデム太陽電池を発表.
正孔輸送層（HTL）の効果
この研究では、DM、Cul、Cu2O、CuSCN などのさまざまな HTL がパフォーマンス リファレンス デバイスに使用されました。次のエネルギー バンド図は、ペロブスカイトまたは HTL と HTL/RTE インターフェースでのバンド アラインメントの変更を示しています。背面から照射すると、Cul および CuSCN デバイスの再結合は同じ SRH 再結合プロファイルを示します。隣接層の価数レベルが高いほど、直接再結合の可能性が高くなります。
界面欠陥層の影響
熱アニールの際、界面の欠陥が強調される。界面に酸素空孔、格子不整合、化学量論組成が欠けている場合、これらの欠陥が促進される。この研究では、 以下に挙げる3種類の欠陥インターフェース:
- HTL/バック電極: 酸素の存在下でバック電極と HTL が反応することによって発生します。
- TCO/ペロブスカイト: この界面の欠陥により酸素空孔が発生します。
- ペロブスカイト/HTL: これに欠陥があると、格子不整合が発生します。
- 欠陥密度が 10^16 cm−3 未満の場合、デバイスの PCE は同じままです。これは、界面層での再結合率が低いことを示しています。
- 濃度が 10^16 cm−3 を超えると再結合率が増加し、デバイスの効率が低下します。
- 同様に、界面欠陥層の厚さが増加すると、デバイスの PCE が直線的に減少し、IDL 領域の再結合率が増加します。
この現象は、不動態化またはその他の適切な処理方法によって PFTO/ペロブスカイト界面の欠陥を減らすという要件を裏付けています。ほとんどの場合、表面形態を変更するには表面不動態化が好まれます。
裏面透明電極（RTE）の効果
この 電極は両面PSCの全体的な性能を決定する上で重要な位置を占めている。両面太陽電池の性能に影響を与える主な要因は、電子親和力とバンドギャップの 2 つです。両面 PSC は片面 PSC に比べて PCE が低く、これが RTE に重要な影響を与えます。HTL/RTE インターフェースの VBO が負から正に変化するのは、RTE のバンドギャップ値が増加すると観察されます。
どちらの照明条件でも、デバイスは最大値を示します VBO +0.29 eVでのPCE (バンドギャップ 約 2.4 eV)。HTL/RTE での VBO が +3.3 eV で、両方のタイプの照明の電子親和力が 0.13 eV の場合、デバイスの性能が向上します。
RTE の電子親和力が増加すると、HTL/RTE 間の VBO は正の方向にシフトします。この研究では、NAN ベースのデバイスは背面照射でより高い PCE を示すことが示されています。これは、HTL/RTE インターフェースでの NAN ベースのデバイスにおける負方向の電界強度が減少することを示しています。さらに、PCE デバイスは仕事関数の増加とともに増加し、大きな仕事関数では飽和します。
別の研究では PeroNova 社製 28% 効率ペロブスカイト シリコン タンデム ソーラー モジュール 導入されました。
ペロブスカイト層の最適化
上で説明したように、異なる FTE、HTL、および RTE を使用して、さまざまなデバイスの組み合わせをシミュレートしました。ペロブスカイト吸収層が増加すると、電荷キャリアの生成が減少します。対照的に、VOC は吸収層の内蔵電位の増加とともに増加します。PCE デバイスは、最適化されたバンドギャップ 1.4 eV まで増加し、その他は次のとおりです。
- フロント照明 PCE 24.65%
- リアイルミネーション PCE 25.48%
吸収層のペロブスカイトの欠陥密度は、 8.0 × 10^14 cm−3 から 1.0 × 10^14 cm−3増加につながります デバイスのPCEは、フロント照明とリア照明でそれぞれ26.27%と26.45%に向上.
さらに、吸収層の厚さを最適化し、 800 nmで欠陥密度を1.0 × 1014 cm−3まで下げる。 これにより、 デバイスのPCEは26.88% (前方照明)および27.35% (後方照明)。
結論
したがって、研究者は、シミュレーション パッケージを使用して ETL フリーの両面 PSC を最適化するという結論に達しました。さまざまな材料がデバイスの性能に与える影響を研究した結果、特定の材料がその特定の特性によって性能を向上させることが確認されました。さらに、バンドギャップ、欠陥密度、および厚さは、ペロブスカイト吸収層の重要な決定要因です。したがって、背面照明と前面照明の両方に対して最適化された構成で、27% を超える電力変換効率が達成されました。
