Spectroscopic Study on Charge Carrier Dynamics in Perovskite Solar Cells

钙钛矿太阳能电池载流子动力学的光谱研究

基本信息

批准号：
20F20031
负责人：
大北英生
金额：
$ 1.47万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-07-29 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究において取り組んだ研究としては大きく二つに大別される。一つ目は、混合カチオンペロブスカイト太陽電池においてしばしば観測される素子作製後に大気下での保存によって効率が向上する現象の機構解明である。二つ目は、パッシベージョン処理による電圧損失抑制効果を再結合機構の観点から明らかにすることである。一つ目の研究課題では、ペロブスカイト太陽電池の主な再結合損失機構をデバイス物理の観点から解析した。その結果、素子作製直後のエージング前は表面再結合が支配的であるのに対して、エージング後には表面再結合は抑制されバルク再結合が支配的にとなることを明らかにした。素子を構成する各材料の経時変化を詳しく調べたところ、ペロブスカイト層の特性変化は小さく、正孔輸送層であるspiro-OMeTADのHOMO準位が大きく変化することを見出した。このエネルギー準位の変化によりペロブスカイト層の価電子帯の準位との整合がエージングにより改善されることで表面再結合が抑制されたことを明らかにすることができた。二つ目の研究課題についても上述と同様の測定と解析を行った結果、パッシベーション処理を行った素子では、作製直後のエージング前の状態でも表面再結合が効果的に抑制されていることを明らかにした。さらに、ペロブスカイト層の経時変化について詳細に調べたところ、電子準位等の物性値には変化が見られないものの、トラップ密度はエージングにより減少することから、エージングにはペロブスカイト層のヒーリング効果もあることを実証した。湿度の無い環境下ではエージング効果が見られないことから大気下での湿度により欠陥が修復されるものと考えられる。以上の知見を踏まえて素子作製条件を最適化したところ、エネルギー変換効率22.2%を実現することができた。

本研究进行的研究大致可分为两类。首先是阐明混合阳离子钙钛矿太阳能电池中经常观察到的现象背后的机制，其中通过在器件制造后储存在大气中来提高效率。第二个目的是从复合机理的角度阐明钝化处理的电压损失抑制效果。在第一个研究课题中，我们从器件物理的角度分析了钙钛矿太阳能电池的主要复合损耗机制。结果表明，在器件制造后和老化之前，表面复合占主导地位，而老化后，表面复合受到抑制，体复合占主导地位。对构成该器件的每种材料随时间变化的详细研究表明，钙钛矿层的性能变化很小，但空穴传输层 spiro-OMeTAD 的 HOMO 能级发生了显着变化。我们能够证明，由于这种能级的变化，通过老化改善与钙钛矿层价带能级的匹配，从而抑制了表面复合。对于第二个研究课题，我们进行了与上述相同的测量和分析，发现经过钝化处理的元件即使在制造后的预时效状态下也能有效抑制表面复合。此外，当我们详细研究钙钛矿层随时间的变化时，我们发现虽然电子能级等物理性质没有变化，但陷阱密度随着老化而降低，这表明老化对钙钛矿层也有修复作用。事实证明。由于在没有湿度的环境中没有观察到老化效应，因此认为缺陷是通过大气中的湿度修复的。根据上述知识，通过优化器件制造条件，我们能够实现 22.2% 的能量转换效率。

项目成果

期刊论文数量（5）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Immediate and Temporal Enhancement of Power Conversion Efficiency in Surface-Passivated Perovskite Solar Cells.

表面钝化钙钛矿太阳能电池功率转换效率的即时和暂时提高。

DOI：
10.1021/acsami.1c06878
发表时间：
2021-08-11
期刊：
ACS applied materials & interfaces
影响因子：
9.5
作者：
Yongyoon Cho;J. Bing;H. Kim;Yong Li;Jianghui Zheng;Shi Tang;M. Green;A. Wakamiya;Shujuan Huang;Hideo Ohkita;A. Ho
通讯作者：
A. Ho

Elucidating Mechanisms behind Ambient Storage-Induced Efficiency Improvements in Perovskite Solar Cells

阐明环境存储引起的钙钛矿太阳能电池效率提高背后的机制

DOI：
10.1021/acsenergylett.0c02406
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
22
作者：
Cho Yongyoon;Kim Hyung Do;Zheng Jianghui;Bing Jueming;Li Yong;Zhang Meng;Green Martin A.;Wakamiya Atsushi;Huang Shujuan;Ohkita Hideo;Ho
通讯作者：
Ho

Effects of Aging and Passivation on Charge Recombination in Perovskite Solar Cells

老化和钝化对钙钛矿太阳能电池电荷复合的影响