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ペロブスカイト太陽電池のモデリング
有機EL・太陽電池シミュレータSetfos 電気・光学特性測定装置Paios
機能：電気特性解析 業界：太陽電池
概要
本記事ではFLUXiM AGの有機EL・太陽電池シミュレータ「Setfos」を用いて、ペロブスカイト太陽電池の実験データを再現するための手順を紹介します。本手法ではSetfosのインターフェース上で積層構造(スタック)を構成し、各層の光学特性・電気特性・イオン特性を入力することでデバイスをモデル化します。さらに、有機EL・太陽電池デバイス用の電気・光学特性測定装置「Paios」により測定された電流–電圧(J–V)特性、容量–周波数(C–f)特性、およびインピーダンス特性に対してモデルをフィッティングすることで、デバイスの光電的応答の多くを再現可能なモデルを構築できることを示します。
この資料はFLUXiM AGのResearch Blog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
ハロゲン化ペロブスカイト太陽電池(PSC)は、優れた光電変換性能を有する一方で、長時間スケールにおいて特有の複雑な挙動を示すという、特徴的な太陽電池です[1,2]。優れた光電変換性能は近年の研究開発を大きく牽引してきましたが、複雑な挙動は太陽光発電デバイスとして実用化を進める上での主要な課題となっています。
ハロゲン化ペロブスカイト太陽電池において観測される遅い光学的・電気的応答は、ハロゲンの欠損に代表されるイオン欠陥の移動に起因すると広く考えられています[3,4]。したがって、ハロゲン化ペロブスカイト太陽電池におけるイオン特性を理解することは、太陽電池の性能と安定性を最適化するための不可欠な要素となります。このことから、これらの太陽電池をモデル化する際は、デバイスの光学的および電気的特性だけではなく、イオン特性も正確に考慮する必要があります。
本記事ではSetfosを用いてペロブスカイト太陽電池の基本的な特性を評価し、光学(optical)およびドリフト–拡散(drift-diffusion)モデルを実装するための手順を提供します。
解析対象
本研究では、ハロゲン化ペロブスカイトからなる光電変換層が正孔輸送層(HTL)と電子輸送層(ETL)の間に挟まれた典型的なp-i-n構造の太陽電池[5]を解析対象としました。デバイス構造はITO/SAM/CsFAPbI3/C60/SnOx/Cuです。ここで、HTLとして使われるSAM(自己組織化単分子膜)はMe-4PACzです。
図1 本研究で解析対象とした太陽電池の構造
各層の膜厚を括弧内に示す(SAMの膜厚1 nmは、分子の化学構造に基づく推定値)
解析手法
本研究では、Setfosを使用し、太陽電池の積層構造(スタック)、各層の光学特性・電気特性・イオン特性を入力することでデバイスをモデル化しました。さらに、Paiosを用いて測定された本デバイスの電流–電圧(J–V)特性、容量–周波数(C–f)特性、およびインピーダンス特性とSetfosによるシミュレーション結果がフィッティングするよう、パラメータを調整しました。
解析結果
図2に、本研究で構築したモデルが、暗条件および光照射下で測定された電流–電圧(J–V)特性に加えて、電圧依存の見かけの容量–周波数(C–f)特性といった実験結果に対して、妥当なフィッティングを実現できていることをまとめました。J–V特性については、実験と同一のプリバイアス条件および電圧掃引手順に従った完全な過渡シミュレーションを行った結果を示しています。一方で、本解析にはいくつかの制約も存在します。例えば、デバイス特性が長時間スケールで変動することにより、暗条件下のJ–V特性ではバイアス印加後に変化が生じること(図2a参照)や、インピーダンス測定結果において部分的に可逆的な挙動が観測されること(図2c参照)などが挙げられます。それでもなお、本モデルは、性能最適化に関連するデバイス特性の検討や、劣化挙動の解析といった、さらなる研究を進めるための有用な出発点となります。
図2．本研究のフィッティング手順によって得られたシミュレーション結果と実験結果の比較
(a)暗条件下における過渡J–V特性
(b)光照射下における過渡J–V特性
(c)インピーダンス測定およびシミュレーションから得られた電圧依存の見かけの容量データ
まとめ
本記事では、単接合p–i–n構造ペロブスカイト太陽電池を対象として、実験データを再現可能なSetfosモデルを構築するための手順を示しました。Paiosを用いて取得した電流–電圧特性およびインピーダンス特性のデータを基に、太陽電池の挙動を数値的に再現するモデルを構築しました。
下記ボタンよりダウンロード可能な資料では、ペロブスカイト太陽電池の具体的なモデリング手順(C-f特性による可動イオン濃度・イオン移動度・誘電率の推定、J-V特性による再結合機構の推定など)について記載されています。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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