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ペロブスカイト太陽電池の電荷輸送・再結合評価-Paiosを用いたIMPS/IMVS/TPC/TPV測定
電気・光学特性測定装置Paios
機能：電気特性解析、測定結果解析 業界：太陽電池
概要
本記事では、FLUXiM AGの電気・光学特性測定装置Paiosを用いて、ペロブスカイト太陽電池の電荷輸送および再結合特性を評価した研究を紹介します[1]。本研究では、新たなCuI(ヨウ化銅)ドーピング手法を提案し、スズ系ペロブスカイト太陽電池(Tin-PKSC)において、ペロブスカイト層の欠陥の低減および形態(morphology)改善を実現しました。その結果、変換効率、安定性の向上が確認されました。本研究では、ペロブスカイト太陽電池デバイスの電荷輸送特性や再結合に関わるパラメータを定量的に評価しています。これにはPaiosが極めて重要な役割を果たしており、本記事ではPaiosを用いた解析に焦点を当てて紹介します。Paiosは、デバイスへの電圧・電流印加、およびLED光源による光照射に対して、直流(DC)、交流(AC)、過渡(パルス)応答測定を行うことができる測定器で、太陽電池デバイスの包括的な動作解析およびメカニズム解明を実現します。
この資料は電気通信大学、早瀬研究室におけるPaiosを用いた研究実績を参考にして作成しました。詳しくはこちらをご覧ください。
解析目的および解析手法
背景と目的
スズ系ペロブスカイト太陽電池(Tin-PKSC)は、鉛系ペロブスカイト太陽電池と比べ、Sn2+から Sn4+への酸化やハロゲン空孔といった欠陥が生じやすく、これが変換効率向上を妨げる大きな要因となっています[2]。本研究では、スズ系ペロブスカイト前駆体溶液へのCuIドーピングによる欠陥低減および薄膜形態の改善が、太陽電池デバイスの電荷輸送特性や非放射再結合に与える影響を検証するため、強度変調光電圧分光法(IMVS)、強度変調光電流分光法(IMPS)、過渡光電流(TPC)、過渡光電圧(TPV)、ならびに暗電流密度–電圧特性を測定しました。
解析対象
本研究では、CuI(ヨウ化銅)溶液を混合したスズ系ペロブスカイト前駆体溶液を用いてペロブスカイト薄膜を成膜し、作製した太陽電池デバイスを解析対象としました。
解析手法
作製した太陽電池デバイスに対してPaiosを用い、強度変調光電圧分光法(IMVS)、強度変調光電流分光法(IMPS)、過渡光電流(TPC)、過渡光電圧(TPV)、ならびに暗電流密度–電圧特性を測定しました。
解析結果
作製した太陽電池デバイスの強度変調光電圧分光法(IMVS)、強度変調光電流分光法(IMPS)、過渡光電流(TPC)、過渡光電圧(TPV)、ならびに暗電流密度–電圧特性の結果を、図1および表1に示します。黒線は未処理の太陽電池デバイス(W/T)、赤線はCuI処理後の太陽電池デバイス(CuI 0.5%)を示します。
図1 太陽電池デバイスにおける(a)強度変調光電流分光(IMPS)、(b)強度変調光電圧分光(IMVS)、
(c)過渡光電圧(TPV)、(d)過渡光電流(TPC)、(e)暗電流密度–電圧特性
表1 CuIドーピングによるIMPS/IMVSならびに暗電流特性の比較
| 条件 | τtr(μs) | τrec(μs) | ηcc(%) | LD(nm) | J0(mA/cm2) | n |
| W/T | 0.97 | 1.21 | 19.8 | 182.05 | 12.6×10-3 | 1.85 |
| CuI 0.5% | 0.64 | 2.23 | 71.5 | 305.61 | 7.7×10-3 | 1.49 |
CuIドーピング後、図1aに示すIMPSの結果から、電子輸送寿命τtrは短縮する一方、図1bに示すIMVSの結果から、電子再結合寿命τrecは増加したことが確認できます。これらの結果は、CuI ドーピングによってペロブスカイト層から電荷輸送層への電荷移動が促進されるとともに、再結合反応が効果的に抑制されたことを示しています。
さらに、τtr、τrec、ペロブスカイト薄膜の膜厚から算出した、電荷収集効率ηcc、および拡散長LDも大きく向上することが確認できました。また、TPC測定(図1d)ではキャリア寿命の短縮、TPV測定(図1c)では再結合寿命の増加が観測されました。これらの結果は、CuIドーピング後にトラップ密度が低下し、開放電圧(Voc)が向上したという説明を裏付けるものです。
さらに、暗電流密度–電圧特性(図1e)から求めた暗電流密度J0、理想因子nが低下していることも確認できました。これらの結果は、IMPS/IMVSおよびTPC/TPVの結果と良く一致しており、CuI ドーピングによって非放射再結合が低減されたことを裏付けています。
まとめ
本研究では、CuIドーピングによってペロブスカイト結晶中の空孔欠陥が効果的に補償されることを実証しました。さらに、Paiosに代表される先進的な電気・光学特性測定システムを用いることで、太陽電池デバイスにおける電荷輸送特性の向上や非放射再結合の低減効果を定量的に評価できることを明らかにしました。
下記ボタンよりダウンロード可能な資料では、CuIドーピングがペロブスカイト薄膜の組成および欠陥状態に及ぼす影響についても記載されています。ご興味がございましたら資料ダウンロードをお願いいたします。
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