JP2020508570A - 多接合光起電デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
[A][B][X]3 (I)
のペロブスカイト材料の層を有し、ただし、[A]は1つ以上の1価カチオンであり、[B]は1つ以上の2価無機カチオンであり、[X]は1つ以上のハロゲン化物アニオンである。
AxA’1−xB(XyX’1−y)3 (IA)
のものであり、ただし、Aはメチルアンモニウム(MA)及びホルムアミジニウム(FA)から選択され、A’はホルムアミジニウム(FA)及びセシウムカチオン(Cs+)から選択され、BはPb2+及びSn2+から選択され、Xはヨウ化物であり、X’は臭化物であり、そして、0<x≦1且つ0<y≦1である。
用語“マトリックス”は、ここで使用されるとき、より大きな物が埋め込まれる細粒度の材料を指す。
図4は、ペロブスカイト材料を有する光活性領域を有した第1/頂部のサブセル110を有するモノリシック集積された多接合光起電デバイス100を概略的に示しており、一方、第2/底部のサブセル120が光活性シリコン吸収体を有している。多接合光起電デバイス100は、モノリシック集積された構造を有しており、故に、前面/第1の電極101と裏面/第2の電極102との2つの電極のみを有し、これら2つの電極の間に第1/頂部のサブセル110及び第2/底部のサブセル120が配置されている。特に、第1のサブセル110が第1/前面の電極101と接触し、第2のサブセル120が第2/裏面の電極102と接触している。モノリシック集積された多接合光起電デバイス100はまた、典型的に、前面/第1の電極101の頂面上に、頂部コンタクト(図示せず)としての金属グリッドを有する。例として、頂部コンタクトは、銀及び/又は銅ペーストのスクリーン印刷によって作り出された金属グリッド又はフィンガーとして設けられ得る。
Keithleyモデル2600デジタルソースメータと、単一の光源を備え、BG4フィルタを備えた較正済みのシリコン基準セルで制御されるOAIトリソルソーラーシミュレータとを使用して、電流電圧(IV)測定を行った。斯くして、入射スペクトルのうち頂部セルに関連する部分が測定される。測定における強度は、1太陽に相当するものの95%とした。逆バイアスから順バイアスへのバイアススイープ及び順バイアスから逆バイアスへのバイアススイープの双方を使用するとともに、安定した電力出力を確認するための摂動・測定(perturb−and−measure)最大電力点(MPP)追尾アルゴリズムを使用して、IV特性を測定した。曲線因子(fill factor;FF)及び開回路電圧(Voc)を計算した。短絡電流密度(Jsc,EQE)を取得するためにBentham PVE300セットアップを使用して、それぞれのサブセルごとに外部量子効率(EQE)を記録した。PerkinElmer Lambda950ツール及び小型スポットキットを使用して、全反射測定を行った。
図15は、図11のモノリシック集積多接合光起電デバイスに関する外部量子効率(EQE)の、同様ではあるが酸素を欠いたナノ結晶シリコン相互接続層すなわちnc−Si:H層を有する基準デバイス(reference)に関するEQEとの比較を提供している。どちらの太陽電池も約1.64eVのバンドギャップを持つ。図11に概略的に示したデバイスは、過度に高い頂部セル電流を有するが、それでも見て取れることには、750−1000nmの波長域での抑制された反射損失により、底部セルは、ほぼ一定の頂部セル電流で0.9mA/cm2増加している。以下の表1は、試験光起電デバイス及び基準光起電デバイスのサブセルの全てについての実験EQE結果及びシミュレーションEQE結果を列挙している。留意されたいことには、実験での電流とシミュレーションによって予測された電流との間に優れた相関が存在している。
上で実証したように、波長域750−1000nmでの反射損失を低減させることによって、ペロブスカイト/シリコン多接合光起電デバイスの底部セルにおけるJscの増加を得ることができ、これは、ペロブスカイトサブセルとシリコンサブセルとの間に、シリコン酸化物マトリックスに埋め込まれた細長いシリコンナノ結晶を有する二相材料を有した、適正な屈折率及び厚さを持つ相互接続層を配置することによって達成されることができる。特に図11に概略的に示したモノリシック集積多接合光起電デバイスは、0.9mA/cm2だけ増加されるJscと、絶対値で1.2%だけ増加されるPCEとを生み出す。
上述の多接合光起電デバイスにおいて、第1のサブセル110は、ペロブスカイト材料を有する光活性領域を有している。第1のサブセル110の光活性領域内のペロブスカイト材料は、光活性領域内の光吸収体/光増感剤として機能するように構成される。その場合、ペロブスカイト材料は、好ましくは1.50eVから1.75eV、より好ましくは1.65eVから1.70eVのバンドギャップを有する。そして、シリコンヘテロ接合(SHJ)を有する第2のサブセルは、好ましくは、約1.1eVのバンドギャップを有する。
[A][B][X]3 (I)
のものであり、ただし、[A]は1つ以上の1価カチオンであり、[B]は1つ以上の2価無機カチオンであり、[X]は1つ以上のハロゲン化物アニオンである。
AxA’1−xB(XyX’1−y)3 (IA)
を有し、ただし、Aはメチルアンモニウム(MA)及びホルムアミジニウム(FA)から選択され、A’はホルムアミジニウム(FA)及びセシウムカチオン(Cs+)から選択され、BはPb2+及びSn2+から選択され、Xはヨウ化物であり、X’は臭化物であり、そして、0<x≦1且つ0<y≦1である。これらの好適実施形態では、故に、ペロブスカイト材料は、単一の1価カチオン、又は2つの1価カチオンの混合物を含むことができる。さらに、これらの好適実施形態では、故に、ペロブスカイト材料は、単一のヨウ化物アニオン、又はヨウ化物アニオンと臭化物アニオンとの混合物、のいずれかを有することができる。本発明者が見出したことには、そのようなペロブスカイト材料は1.50eVから1.75eVのバンドギャップを有することができ、また、そのようなペロブスカイト材料の層は好ましい結晶形態及び相で容易に形成されることができる。より好ましくは、ペロブスカイト材料は、MAPb(I0.8Br0.2)3、FA0.5MA0.5PbI3、FAPbI3、及びFA1−xCsxPbI3−yBryから選択される。
シリコン酸化物マトリックス131b材料に埋め込まれた細長い(すなわち、フィラメント状の)シリコンナノ結晶(nc−Si:H)131aを有する二相材料は、シラン(SiH4)、二酸化炭素(CO2)及び水素(H2)前駆体ガスから、プラズマ化学気相成長(PECVD)によって製造されることができる。以前の研究が見出したことには、CO2/SiH4の比率が、膜中の酸素の割合を決定し、そしてそれにより屈折率を決定する主たるパラメータである。しかしながら、プラズマ内でのHの希釈も、SiOxへの酸素の取り込みを支援する。これは、酸素取り込みの二方式制御を与え、それが二相材料の相分離の制御を可能にする。具体的には、以前の研究が示していることには、低いH希釈で作り出される層は相分離を示さないが、非常に強いH希釈では、シリコン酸化物マトリックス内の細長いシリコンナノ結晶の形成及び強い相分離が起こる。
ヘテロジニアスなナノ構造とその結果として得られる異方性輸送特性とにより、nc−SiOx:H層はシャントの悪影響を抑制する。ペロブスカイト吸収体層内に存在するシャント経路(例えば、層の堆積中に表面に存在するピンホール又は粒子から生じる)は、吸収体層の低い横方向導電率のために、限られた悪影響のみを有する。しかしながら、例えばITOなどの高い導電性の層がこれらのシャントを太陽電池の残りの部分に電子的に接続する場合、変換効率が大きく低下してしまい得る。その明確なナノ構造により、nc−SiOx:Hは、(化学量論及びナノ構造に依存して)貫通方向導電性よりも数桁低くなり得る横方向導電性を有する。従って、このような層を使用すると、高い貫通方向導電率により低オーミックトンネル再結合コンタクトを実現することができる。低い横方向導電率により、シャント経路の悪影響を抑制することができる。
Claims (35)
- ペロブスカイト材料の層を有した光活性領域を有する第1の光起電サブセルと、
光活性シリコン吸収体を有する第2の光起電サブセルと、
前記第1の光起電サブセルと前記第2の光起電サブセルとの間に配置され、前記第1の光起電サブセルと前記第2の光起電サブセルとを接続する中間領域と
を有し、
前記中間領域は相互接続層を有し、該相互接続層は、シリコン酸化物マトリックスに埋め込まれた細長いシリコンナノ結晶を有した二相材料を有する、
多接合光起電デバイス。 - 前記二相材料は、シリコン酸化物マトリックスに埋め込まれたシリコンナノ結晶からなる、請求項1に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記細長いシリコンナノ結晶の長手方向軸が、前記第1の光起電サブセル及び前記第2の光起電サブセルの両面に対して実質的に垂直である、請求項1又は2のいずれかに記載の多接合光起電デバイス。
- 前記細長いシリコンナノ結晶の直径が50nm未満であり、好ましくは10nm以下であり、より好ましくは5nm以下である、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記シリコン酸化物マトリックスはアモルファス水素化シリコン酸化物を有する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記シリコン酸化物マトリックスは、10%から50%の酸素分率を持つ、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記二相材料は、体積で10%から50%のシリコンナノ結晶を有する、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記細長いシリコンナノ結晶は、n型又はp型ドーピングのいずれかでドープされている、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記相互接続層の横方向の導電率が、前記相互接続層の貫通方向の導電率よりも2桁以上低い、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記相互接続層は、5nmから200nmの厚さを持つ、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記相互接続層は、2.70から2.90の範囲内の屈折率(n)を持つ、請求項1乃至10のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記中間領域は、1つ以上の更なる層を有する、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記中間領域は更に、透明導電性酸化物(TCO)の層を有する、請求項1乃至12のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記透明導電性酸化物(TCO)の層は、前記相互接続層と前記第1の光起電サブセルとの間に配置されている、請求項13に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記透明導電性酸化物(TCO)の層は、1nmから20nmの厚さを持つ、請求項13又は14のいずれかに記載の多接合光起電デバイス。
- 前記中間領域は更に再結合層を有する、請求項1乃至15のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記再結合層は、前記相互接続層と前記第2の光起電サブセルとの間に配置されている、請求項16に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記再結合層は、前記相互接続層と前記第1の光起電サブセルとの間に配置されている、請求項16に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記再結合層は、nドープされたナノ結晶シリコンを有する、請求項16乃至18のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記中間領域は更に、シリコン酸化物マトリックスに埋め込まれたシリコンナノ結晶を有する二相材料を有した更なる相互接続層を有する、請求項1乃至15のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記相互接続層及び前記更なる相互接続層の一方が、nドープされた細長いシリコンナノ結晶を有し、前記相互接続層及び前記更なる相互接続層の他方が、pドープされた細長いシリコンナノ結晶を有する、請求項20に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記第1の光起電サブセルは、p型領域及びn型領域を有し、前記光活性領域が前記p型領域と前記n型領域との間に配置されている、請求項1乃至21のいずれかに記載の多接合光起電デバイス。
- 前記第1の光起電サブセルは、通常構造を持つ、請求項1乃至22のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記第1の光起電サブセルは、前記n型領域が前記第2の光起電サブセルに隣接するように配置されている、請求項22に従属する場合の請求項23に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記第1の光起電サブセルは反転構造を持つ、請求項1乃至22のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記第1の光起電サブセルは、前記p型領域が前記第2の光起電サブセルに隣接するように配置されている、請求項22に従属する場合の請求項25に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記第2の光起電サブセルは拡散シリコン接合を有する、請求項1乃至26のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記第2の光起電サブセルはシリコンヘテロ接合(SHJ)を有する、請求項1乃至27のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記第1の光起電サブセルが、一般式(I):
[A][B][X]3 (I)
のペロブスカイト材料の層を有し、ただし、[A]は1つ以上の1価カチオンであり、[B]は1つ以上の2価無機カチオンであり、[X]は1つ以上のハロゲン化物アニオンである、請求項1乃至28のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。 - [X]は、フッ化物、塩化物、臭化物、及びヨウ化物から選択された1つ以上のハロゲン化物アニオンを有する、請求項29に記載の多接合光起電デバイス。
- [X]は、フッ化物、塩化物、臭化物、及びヨウ化物から選択された2つの異なるハロゲン化物アニオンを有する、請求項29又は30のいずれかに記載の多接合光起電デバイス。
- [A]は、メチルアンモニウム(CH3NH3 +)、ホルムアミジニウム(HC(NH)2)2 +)、及びエチルアンモニウム(CH3CH2NH3 +)から選択された1つ以上の有機カチオンを有する、請求項29乃至31のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- [A]は、Cs+、Rb+、Cu+、Pd+、Pt+、Ag+、Au+、Rh+、及びRu+から選択された1つ以上の無機カチオンを有する、請求項29から32のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- [B]は、Pb2+及びSn2+から選択された少なくとも1つの2価無機カチオンを有し、好ましくはPb2+を有する、請求項29乃至33のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
- 前記ペロブスカイト材料は、一般式(IA):
AxA’1−xB(XyX’1−y)3 (IA)
のものであり、ただし、Aはメチルアンモニウム(MA)及びホルムアミジニウム(FA)から選択され、A’はホルムアミジニウム(FA)及びセシウムカチオン(Cs+)から選択され、BはPb2+及びSn2+から選択され、Xはヨウ化物であり、X’は臭化物であり、そして、0<x≦1且つ0<y≦1である、請求項29乃至34のいずれか一項に記載の多接合光起電デバイス。
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