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
ペロブスカイト太陽電池デバイスの電力変換効率（PCE）が大幅に向上することが確認された。これは、FTE/ペロブスカイト界面における伝導帯オフセット（CBO）が小さい井戸状構造によって可能になった。しかしながら、正孔輸送層（HTL）の価電子帯が上方にシフトすると、性能が低下することが確認された。
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、この10年間で3.8%から26.1%に向上した。そのため、有機無機ハイブリッド金属ハロゲン化物ペロブスカイト太陽電池は近年大きな注目を集めている。
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遅れている。逆構造PSCでは、研究者らは主に[6,6]-フェニル-C61-酪酸メチルエステル（PCBM）をETLとして使用し、高効率化を図ってきた。PCBMは高価であるため、デバイスに組み込むとデバイス全体のコストが増加する。
研究者たちは次に、最も有望で受け入れやすいデバイスであるETLフリーのPSCを試作した。この手法は構成がシンプルで複雑な準備作業が不要なため、必要な時間とエネルギーを削減できる。
豆知識：Liuらは13.5%のPCEを初めて開発しました。
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が存在しない場合に、永続的な組み込みフィールドが不足しているため。
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、光はシステムの両端から入射します。これにより、両面受光型太陽電池パネルは、片面受光型パネルと比較して30%以上高い電力変換効率（PCE）を達成できる可能性があります。ただし、傾斜角、地表面反射率、地上高など、PCEを左右する要因は様々です。さらに、両面受光型太陽電池とフレキシブル太陽電池の利点を組み合わせることで、効率的で汎用性の高い太陽エネルギー収集装置を実現できます。
ETLフリーのフレキシブル両面型PSCの応用例：
- 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。
NRELは、リサイクル可能な樹脂から風力タービンのブレードを開発する取り組みを行っている。
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。
異なる電極、界面欠陥層、および正孔輸送層を持つフレキシブル太陽電池を観察した結果、研究者らはバンドアライメントとポテンシャル障壁を発見し、全体的な性能向上につなげた。さらに、ペロブスカイト吸収層のバンドギャップを1.4 eVに最適化することで、様々な条件下で27%を超える効率を達成した。
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は高い透明度と改善されたバンドアライメントで設計する必要があります。研究者たちは、ジルコニウムドープIn2O3（Zr:In2O3）、ITO、アルミニウムドープZnO（Al:ZnO）、パッシベーション/修飾FTO（PFTO）など、さまざまなFTEを検討してきました。低温では、これらの電極をフレキシブル基板上に容易に成膜できます。
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が、効率33.7%で安定性の高い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
熱アニーリングの際、界面の欠陥が顕著になる。これらの欠陥は、界面に酸素空孔、格子不整合、化学量論組成が不足している場合に促進される。本研究では、以下の3種類の欠陥界面について述べる。
- 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、両面受光型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ます。両面受光型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。両面受光型PSCは、片面受光型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界面におけるVBOが負から正に変化することは、RTEのバンドギャップ値の増加に伴って観察されます。
どちらの照明条件においても、デバイスはVBOが+0.29 eV（バンドギャップ約2.4 eV）のときに最大のPCEを示します。HTL/RTEにおけるVBOが+0.13 eVで、両方のタイプの照明において電子親和力が3.3 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社製の効率28%のペロブスカイトシリコンタンデム太陽電池モジュールが紹介された。
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 に減少しました。これにより、前面照射と背面照射におけるデバイスの PCE はそれぞれ 26.27% と 26.45% に向上しました。
さらに、吸収層の厚さを800 nmに最適化し、欠陥密度を1.0 × 1014 cm−3に低減することで、デバイスのPCEは26.88%（前面照射）および27.35%（背面照射）に向上しました。
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。
