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ペロブスカイト太陽電池の電気特性解析 -Mott–Schottky・EIS・開回路電圧減衰による再結合評価-
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気特性を測定・解析した研究事例を紹介します[1]。本研究では、スズ系ペロブスカイト太陽電池(Tin-PKSC)において、ジメチルアンモニウムヨウ化物(DMAI)を導入することで、発電性能の向上、キャリア寿命の延長の効果が得られることが確認されました。特に本記事では太陽電池デバイスに対してPaiosを用いて測定・解析されたMott–Schottkyプロット、開回路電圧減衰(Open-circuit voltage decay)、電気化学インピーダンス分光(Electrochemical Impedance Spectroscopy、EIS)の解析結果を中心に紹介します。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、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[1]を参考にして作成しました。
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は結晶化過程が非常に速いため欠陥が形成されやすく[2]、これらの欠陥が電荷キャリアの再結合中心として機能することで、開放電圧(Voc)の低下を引き起こすことが知られています。本研究ではスズ系ペロブスカイト中の、ホルムアミジニウムヨウ化物(FAI)の一部をジメチルアンモニウムヨウ化物(DMAI)に置換したデバイスを対象にMott–Schottkyプロット、開回路電圧減衰(Open-circuit voltage decay)、電気化学インピーダンス分光(EIS)の測定・解析を行いました。これにより、電荷再結合挙動やキャリア寿命、ならびにVoc低下の抑制要因を電気的に評価しました。
解析対象
本研究では、FAIを含むスズ系ペロブスカイト前駆体溶液と、DMAIを含むスズ系ペロブスカイト前駆体溶液の2種類を調製し、これらを所定の比率で混合することでペロブスカイト薄膜を成膜し、作製され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、電気化学インピーダンス分光(EIS)、開回路電圧減衰(Open-circuit voltage decay)の測定を行いました。なお、Vocの照射光強度依存性(Voc as a function of light intensity)測定については論文中で装置名の明記はありませんが、Paiosを用いて同様の測定を実施することが可能です。
解析結果
作製した太陽電池デバイスのJ-V特性を図1に示します。DMAI置換をすることで、短絡電流密度(Jsc)は減少する一方、開放電圧(Voc)は増加することが確認されました。
図1：太陽電池デバイスのJ-V特性
太陽電池デバイスから測定された電気特性を図2に示します。黒線は置換前の太陽電池デバイス(DMAI 0%)、赤線はDMAI置換後の太陽電池デバイス(DMAI 10%)を示します。これらの結果から再結合抵抗(Rrec)、内蔵電位(Vbi)、キャリア濃度(Ni)、理想因子(Ideality factor)を算出することができます。
図2：DMAI置換の有無による(a)ナイキストプロット、(b)Mott-Schottkyプロット、(c)正規化開回路電圧減衰、(d)Voc照射光強度依存性
まとめ
本研究では、スズ系ペロブスカイトのAサイトをDMA+に部分置換することで、太陽電池の性能向上、特にVocの向上に有効であ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、Vocの改善の要因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、DMAI置換によるペロブスカイトの結晶性向上、ならびにPaiosの測定結果から電荷再結合挙動やキャリア寿命、ならびにVoc低下の抑制要因を評価する方法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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