Role of surface recombination in perovskite solar cells at the interface of HTL/CH3NH3PbI3 - Publikacja - MOST Wiedzy

Twoje konto

zaloguj

Wyszukiwarka

Role of surface recombination in perovskite solar cells at the interface of HTL/CH3NH3PbI3

Abstrakt

In order to achieve the highest performance of organometal trihalide perovskite solar cells, it is required to recognize the dominant mechanisms which play a key role in a perovskite material. In the following studies, we have focused on the interfacial recombination between the hole transporting layer (HTL) and the perovskite CH3NH3PbI3 in solar cell devices with p–i–n architecture. It has been shown that Cu:NiOx : used as HTL drastically decreases a short–circuit photocurrent (Jsc) and an open–circuit voltage (Voc). However, we have found that an addition of PTAA thin layer improves cells quality and, as a consequence, the efficiency of such solar cells increases by 2%. Here, we explain both Jsc and Voc losses with a theory of the “dead layer” of perovskite material where a very high surface recombination occurs. We demonstrate the numerical and experimental studies by the means of series detailed analyses to get in–depth understanding of the physical processes behind it. Using a drift–diffusion model, it is shown that the presence of a parasitic recombination layer influences mostly the current distribution in the simulated samples explaining Jsc and Voc losses. The following results could be useful for improving the quality of perovskite solar cells.

Cytowania

  • 8 5

    CrossRef

  • 0

    Web of Science

  • 8 6

    Scopus

Autorzy (7)

Cytuj jako

Pełna treść

pobierz publikację
pobrano 224 razy
Wersja publikacji
Accepted albo Published Version
Licencja
Creative Commons: CC-BY-NC-ND otwiera się w nowej karcie

Słowa kluczowe

Informacje szczegółowe

Kategoria:
Publikacja w czasopiśmie
Typ:
artykuły w czasopismach
Opublikowano w:
Nano Energy nr 67, strony 1 - 11,
ISSN: 2211-2855
Język:
angielski
Rok wydania:
2020
Opis bibliograficzny:
Głowienka D., Zhang D., Di Giacomo F., Mehrdad N., Veenstra S., Szmytkowski J., Yulia G.: Role of surface recombination in perovskite solar cells at the interface of HTL/CH3NH3PbI3// Nano Energy -Vol. 67, (2020), s.1-11
DOI:
Cyfrowy identyfikator dokumentu elektronicznego (otwiera się w nowej karcie) 10.1016/j.nanoen.2019.104186
Bibliografia: test
  1. National Renewable Energy Laboratory (NREL), Chart of best research-cell efficiencies. https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png, 2, 22, 2019. otwiera się w nowej karcie
  2. L.M. Herz, Charge-carrier dynamics in organic-inorganic metal halide perovskites, Annu. Rev. Phys. Chem. 67 (1) (2016) 65-89. otwiera się w nowej karcie
  3. T. Leijtens, S.D. Stranks, G.E. Eperon, R. Lindblad, E.M.J. Johansson, I. J. McPherson, H. Rensmo, J.M. Ball, M.M. Lee, H.J. Snaith, Electronic properties of meso-superstructured and planar organometal halide perovskite films: charge trapping, photodoping, and carrier mobility, ACS Nano 8 (7) (2014) 7147-7155. otwiera się w nowej karcie
  4. A. Miyata, A. Mitioglu, P. Plochocka, O. Portugall, J.T.-W. Wang, S.D. Stranks, H. J. Snaith, R.J. Nicholas, Direct measurement of the exciton binding energy and effective masses for charge carriers in organic-inorganic tri-halide perovskites, Nat. Phys. 11 (7) (2015) 582-587. otwiera się w nowej karcie
  5. Y.M. Wang, S. Bai, L. Cheng, N.N. Wang, J.P. Wang, F. Gao, W. Huang, High- efficiency flexible solar cells based on organometal halide perovskites, Adv. Mater. 28 (22) (2016) 4532-4540. otwiera się w nowej karcie
  6. W.E.I. Sha, X. Ren, L. Chen, W.C.H. Choy, The efficiency limit of CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite solar cells, Appl. Phys. Lett. 106 (22) (2015) 221104. otwiera się w nowej karcie
  7. D. Yang, R. Yang, K. Wang, C. Wu, X. Zhu, J. Feng, X. Ren, G. Fang, S. Priya, S. F. Liu, High efficiency planar-type perovskite solar cells with negligible hysteresis using EDTA-complexed s , Nat. Commun. 9 (1) (2018) 3239. otwiera się w nowej karcie
  8. T.S. Sherkar, C. Momblona, L. Gil-Escrig, J. � Avila, M. Sessolo, H.J. Bolink, L.J. otwiera się w nowej karcie
  9. A. Koster, Recombination in perovskite solar cells: significance of grain boundaries, interface traps, and defect ions, ACS Energy Lett 2 (5) (2017) 1214-1222. otwiera się w nowej karcie
  10. G.-J.A.H. Wetzelaer, M. Scheepers, A.M. Sempere, C. Momblona, J. � Avila, H. otwiera się w nowej karcie
  11. J. Bolink, Trap-assisted non-radiative recombination in organic-inorganic perovskite solar cells, Adv. Mater. 27 (11) (2015) 1837-1841.
  12. Y. Shao, Y. Fang, T. Li, Q. Wang, Q. Dong, Y. Deng, Y. Yuan, H. Wei, M. Wang, A. Gruverman, J. Shield, J. Huang, Grain boundary dominated ion migration in polycrystalline organic-inorganic halide perovskite films, Energy Environ. Sci. 9 (2016) 1752-1759. otwiera się w nowej karcie
  13. X. Wu, M.T. Trinh, D. Niesner, H. Zhu, Z. Norman, J.S. Owen, O. Yaffe, B. J. Kudisch, X.-Y. Zhu, Trap states in lead iodide perovskites, J. Am. Chem. Soc. 137 (5) (2015) 2089-2096. otwiera się w nowej karcie
  14. T.S. Sherkar, C. Momblona, L. Gil-Escrig, H.J. Bolink, L.J.A. Koster, Improving perovskite solar cells: insights from a validated device model, Adv. Energy Mater. 7 (13) (2017) 1602432. otwiera się w nowej karcie
  15. A.B. Sproul, Dimensionless solution of the equation describing the effect of surface recombination on carrier decay in semiconductors, J. Appl. Phys. 76 (5) (1994) 2851-2854. otwiera się w nowej karcie
  16. N.J. Halas, J. Bokor, Surface recombination on the Si(111) 2�1 surface, Phys. Rev. Lett. 62 (1989) 1679-1682. otwiera się w nowej karcie
  17. X. Wen, W. Chen, J. Yang, Q. Ou, T. Yang, C. Zhou, H. Lin, Z. Wang, Y. Zhang, G. Conibeer, Q. Bao, B. Jia, D.J. Moss, Role of surface recombination in halide perovskite nanoplatelets, ACS Appl. Mater. Interfaces 10 (37) (2018) 31586-31593. otwiera się w nowej karcie
  18. J. Wang, W. Fu, S. Jariwala, I. Sinha, A.K.-Y. Jen, D.S. Ginger, Reducing surface recombination velocities at the electrical contacts will improve perovskite photovoltaics, ACS Energy Lett 4 (1) (2019) 222-227. otwiera się w nowej karcie
  19. J. Idígoras, L. Contreras-Bernal, J.M. Cave, N.E. Courtier, A. Barranco, A. Borras, J. R. S� anchez-Valencia, J.A. Anta, A.B. Walker, The role of surface recombination on the performance of perovskite solar cells: effect of morphology and crystalline phase of TiO 2 contact, Adv. Mater. Interfaces 5 (21) (2018) 1801076. otwiera się w nowej karcie
  20. A. Nakane, H. Tampo, M. Tamakoshi, S. Fujimoto, K.M. Kim, S. Kim, H. Shibata, S. Niki, H. Fujiwara, Quantitative determination of optical and recombination losses in thin-film photovoltaic devices based on external quantum efficiency analysis, J. Appl. Phys. 120 (6) (2016), 064505. otwiera się w nowej karcie
  21. C.J. Flynn, S.M. McCullough, L. Li, C.L. Donley, Y. Kanai, J.F. Cahoon, Passivation of nickel vacancy defects in nickel oxide solar cells by targeted atomic deposition of boron, J. Phys. Chem. C 120 (30) (2016) 16568-16576. otwiera się w nowej karcie
  22. S. Olthof, K. Meerholz, Substrate-dependent electronic structure and film formation of MAPbI 3 perovskites, Sci. Rep. 7 (2017) 40267. otwiera się w nowej karcie
  23. Y. Cheng, M. Li, X. Liu, S.H. Cheung, H.T. Chandran, H.-W. Li, X. Xu, Y.-M. Xie, S. K. So, H.-L. Yip, S.-W. Tsang, Impact of surface dipole in niox on the crystallization and photovoltaic performance of organometal halide perovskite solar cells, Nano Energy 61 (2019) 496-504. otwiera się w nowej karcie
  24. P. Cui, P. Fu, D. Wei, M. Li, D. Song, X. Yue, Y. Li, Z. Zhang, Y. Li, J.M. Mbengue, Reduced surface defects of organometallic perovskite by thermal annealing for highly efficient perovskite solar cells, RSC Adv. 5 (2015) 75622-75629. otwiera się w nowej karcie
  25. H. Zhu, B. Huang, S. Wu, Z. Xiong, J. Li, W. Chen, Facile surface modification of CH 3 NH 3 PbI 3 films leading to simultaneously improved efficiency and stability of inverted perovskite solar cells, J. Mater. Chem. A 6 (2018) 6255-6264. otwiera się w nowej karcie
  26. X. He, Y. Bai, H. Chen, X. Zheng, S. Yang, High performance perovskite solar cells through surface modification, mixed solvent engineering and nanobowl-assisted light harvesting, MRS Adv. 1 (47) (2016) 3175-3184. otwiera się w nowej karcie
  27. E.Y. Tiguntseva, I.N. Saraeva, S.I. Kudryashov, E.V. Ushakova, F.E. Komissarenko, A.R. Ishteev, A.N. Tsypkin, R. Haroldson, V.A. Milichko, D.A. Zuev, S.V. Makarov, A.A. Zakhidov, Laser post-processing of halide perovskites for enhanced photoluminescence and absorbance, J. Phys. Conf. Ser. 917 (6) (2017), 062002. otwiera się w nowej karcie
  28. D. Głowienka, J. Szmytkowski, Numerical modeling of exciton impact in two crystalographic phases of the organo-lead halide perovskite (CH 3 NH 3 PbI 3 ) solar cell, Semicond. Sci. Technol. 34 (3) (2019), 035018. otwiera się w nowej karcie
  29. P. Calado, A.M. Telford, D. Bryant, X. Li, J. Nelson, B.C. O'Regan, P.R.F. Barnes, Evidence for ion migration in hybrid perovskite solar cells with minimal hysteresis, Nat. Commun. 7 (2016) 13831. otwiera się w nowej karcie
  30. S. Van Reenen, M. Kemerink, H.J. Snaith, Modeling anomalous hysteresis in perovskite solar cells, J. Phys. Chem. Lett. 6 (19) (2015) 3808-3814. otwiera się w nowej karcie
  31. X. Ren, Z. Wang, W.E. Sha, W.C. Choy, Exploring the way to approach the efficiency limit of perovskite solar cells by drift-diffusion model, ACS Photonics 4 (4) (2017) 934-942. otwiera się w nowej karcie
  32. G. Richardson, S. O'Kane, R.G. Niemann, T. Peltola, J.M. Foster, P.J. Cameron, A. Walker, Can slow-moving ions explain hysteresis in the current-voltage curves of perovskite solar cells? Energy Environ. Sci. 9 (2016) 1476-1485. otwiera się w nowej karcie
  33. Y. Zhou, A. Gray-Weale, A numerical model for charge transport and energy convention of perovskite solar cells, Phys. Chem. Chem. Phys. 18 (2015) 4476-4486. otwiera się w nowej karcie
  34. D. Walter, A. Fell, Y. Wu, T. Duong, C. Barugkin, N. Wu, T. White, K. Weber, Transient photovoltage in perovskite solar cells: interaction of trap-mediated recombination and migration of multiple ionic species, J. Phys. Chem. C 122 (21) (2018) 11270-11281. otwiera się w nowej karcie
  35. Z.S. Wang, W.E.I. Sha, W.C.H. Choy, Exciton delocalization incorporated drift- diffusion model for bulk-heterojunction organic solar cells, J. Appl. Phys. 120 (21) (2016) 213101. otwiera się w nowej karcie
  36. M. Lundstrom, R. Schuelke, Modeling semiconductor heterojunctions in equilibrium, Solid State Electron. 25 (8) (1982) 683-691. otwiera się w nowej karcie
  37. M.S. Lundstrom, R.J. Schuelke, Numerical analysis of heterostructure semiconductor devices, IEEE Trans. Electron Dev. 30 (9) (1983) 1151-1159. otwiera się w nowej karcie
  38. M. Gruber, B. Stickler, G. Trimmel, F. Schurrer, K. Zojer, Impact of energy alignment and morphology on the efficiency in inorganic-organic hybrid solar cells, Org. Electron. 11 (12) (2010) 1999-2011. otwiera się w nowej karcie
  39. Q. Lin, A. Armin, R.C.R. Nagiri, P.L. Burn, P. Meredith, Electro-optics of perovskite solar cells, Nat. Photonics 9 (2) (2015) 106-112. otwiera się w nowej karcie
  40. N. Onoda-Yamamuro, T. Matsuo, H. Suga, Dielectric study of CH 3 NH 3 PbX 3 (X ¼ Cl, Br, I), J. Phys. Chem. Solids 53 (7) (1992) 935-939. otwiera się w nowej karcie
  41. B. Maynard, Q. Long, E.A. Schiff, M. Yang, K. Zhu, R. Kottokkaran, H. Abbas, V. L. Dalal, Electron and hole drift mobility measurements on methylammonium lead iodide perovskite solar cells, Appl. Phys. Lett. 108 (17) (2016) 173505. otwiera się w nowej karcie
  42. D. Kiermasch, P. Rieder, K. Tvingstedt, A. Baumann, V. Dyakonov, Improved charge carrier lifetime in planar perovskite solar cells by bromine doping, Sci. Rep. 6 (2016) 1-7. otwiera się w nowej karcie
  43. J.G. Simmons, G.W. Taylor, Nonequilibrium steady-state statistics and associated effects for insulators and semiconductors containing an arbitrary distribution of traps, Phys. Rev. B 4 (1971) 502-511. otwiera się w nowej karcie
  44. R.L. Milot, G.E. Eperon, H.J. Snaith, M.B. Johnston, L.M. Herz, Temperature- dependent charge-carrier dynamics in CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite thin films, Adv. Funct. Mater. 25 (39) (2015) 6218-6227. otwiera się w nowej karcie
  45. X. Sun, C. Zhang, J. Chang, H. Yang, H. Xi, G. Lu, D. Chen, Z. Lin, X. Lu, J. Zhang, Y. Hao, Mixed-solvent-vapor annealing of perovskite for photovoltaic device efficiency enhancement, Nano Energy 28 (2016) 417-425. otwiera się w nowej karcie
  46. T. Sakurai, S. Wang, S. Toyoshima, K. Akimoto, Role of electrode buffer layers in organic solar cells, in: 2013 International Renewable and Sustainable Energy Conference (IRSEC), IEEE, 2013, pp. 46-48. otwiera się w nowej karcie
  47. G. Garcia-Belmonte, A. Munar, E.M. Barea, J. Bisquert, I. Ugarte, R. Pacios, Charge carrier mobility and lifetime of organic bulk heterojunctions analyzed by impedance spectroscopy, Org. Electron. 9 (5) (2008) 847-851. otwiera się w nowej karcie
  48. R.C.I. MacKenzie, T. Kirchartz, G.F.A. Dibb, J. Nelson, Modeling nongeminate recombination in P3HT:PCBM solar cells, J. Phys. Chem. C 115 (19) (2011) 9806-9813. otwiera się w nowej karcie
  49. D.B. Khadka, Y. Shirai, M. Yanagida, J.W. Ryan, K. Miyano, Exploring the effects of interfacial carrier transport layers on device performance and optoelectronic properties of planar perovskite solar cells, J. Mater. Chem. C 5 (2017) 8819-8827. otwiera się w nowej karcie
  50. G. Ju� ska, K. Genevi� cius, N. Nekra� sas, G. Sliau� zys, G. Dennler, Trimolecular recombination in polythiophene: fullerene bulk heterojunction solar cells, Appl. Phys. Lett. 93 (14) (2008) 143303.
  51. K. Yao, F. Li, Q. He, X. Wang, Y. Jiang, H. Huang, A.K.-Y. Jen, A copper-doped nickel oxide bilayer for enhancing efficiency and stability of hysteresis-free inverted mesoporous perovskite solar cells, Nano Energy 40 (2017) 155-162. otwiera się w nowej karcie
  52. S. Yue, K. Liu, R. Xu, M. Li, M. Azam, K. Ren, J. Liu, Y. Sun, Z. Wang, D. Cao, X. Yan, S. Qu, Y. Lei, Z. Wang, Efficacious engineering on charge extraction for realizing highly efficient perovskite solar cells, Energy Environ. Sci. 10 (2017) 2570-2578. otwiera się w nowej karcie
  53. G. Natu, P. Hasin, Z. Huang, Z. Ji, M. He, Y. Wu, Valence band-edge engineering of nickel oxide nanoparticles via cobalt doping for application in p-type dye- sensitized solar cells, ACS Appl. Mater. Interfaces 4 (11) (2012) 5922-5929. otwiera się w nowej karcie
  54. Q. He, K. Yao, X. Wang, X. Xia, S. Leng, F. Li, Room-temperature and solution- processable Cu-doped nickel oxide nanoparticles for efficient hole-transport layers of flexible large-area perovskite solar cells, ACS Appl. Mater. Interfaces 9 (48) (2017) 41887-41897. otwiera się w nowej karcie
  55. C. Zhu, X. Niu, Y. Fu, N. Li, C. Hu, Y. Chen, X. He, G. Na, P. Liu, H. Zai, Y. Ge, Y. Lu, X. Ke, Y. Bai, S. Yang, P. Chen, Y. Li, M. Sui, L. Zhang, H. Zhou, Q. Chen, Strain engineering in perovskite solar cells and its impacts on carrier dynamics, Nat. Commun. 10 (1) (2019) 815. otwiera się w nowej karcie
  56. D. Głowienka, T. Miruszewski, J. Szmytkowski, The domination of ionic conductivity in tetragonal phase of the organometal halide perovskite CH 3 NH 3 PbI 3 x Cl x , Solid State Sci. 82 (2018) 19-23. otwiera się w nowej karcie
  57. D. Liu, M.K. Gangishetty, T.L. Kelly, Effect of CH 3 NH 3 PbI 3 thickness on device efficiency in planar heterojunction perovskite solar cells, J. Mater. Chem. A 2 (2014) 19873-19881. otwiera się w nowej karcie
  58. Q. Wang, Y. Shao, Q. Dong, Z. Xiao, Y. Yuan, J. Huang, Large fill-factor bilayer iodine perovskite solar cells fabricated by a low-temperature solution-process, Energy Environ. Sci. 7 (2014) 2359-2365. otwiera się w nowej karcie
  59. I. Levine, P.K. Nayak, J.T.-W. Wang, N. Sakai, S. Van Reenen, T.M. Brenner, S. Mukhopadhyay, H.J. Snaith, G. Hodes, D. Cahen, Interface-dependent ion migration/accumulation controls hysteresis in MAPbI 3 solar cells, J. Phys. Chem. C 120 (30) (2016) 16399-16411. otwiera się w nowej karcie
  60. L.A.A. Pettersson, L.S. Roman, O. Ingan€ as, Modeling photocurrent action spectra of photovoltaic devices based on organic thin films, J. Appl. Phys. 86 (1) (1999) 487-496. otwiera się w nowej karcie
  61. G.F. Burkhard, E.T. Hoke, M.D. McGehee, Accounting for interference, scattering, and electrode absorption to make accurate internal quantum efficiency measurements in organic and other thin solar cells, Adv. Mater. 22 (30) (2010) 3293-3297. otwiera się w nowej karcie
  62. M. Liu, M. Endo, A. Shimazaki, A. Wakamiya, Y. Tachibana, Light intensity dependence of performance of lead halide perovskite solar cells, J. Photopolym. Sci. Technol. 30 (5) (2017) 577-582. otwiera się w nowej karcie
  63. A.K.K. Kyaw, D.H. Wang, V. Gupta, W.L. Leong, L. Ke, G.C. Bazan, A.J. Heeger, Intensity dependence of current-voltage characteristics and recombination in high- efficiency solution-processed small-molecule solar cells, ACS Nano 7 (5) (2013) 4569-4577. otwiera się w nowej karcie
  64. K. Tvingstedt, L. Gil-Escrig, C. Momblona, P. Rieder, D. Kiermasch, M. Sessolo, A. Baumann, H.J. Bolink, V. Dyakonov, Removing leakage and surface recombination in planar perovskite solar cells, ACS Energy Lett 2 (2) (2017) 424-430. otwiera się w nowej karcie
  65. W. Tress, M. Yavari, K. Domanski, P. Yadav, B. Niesen, J.P. Correa Baena, A. Hagfeldt, M. Graetzel, Interpretation and evolution of open-circuit voltage, recombination, ideality factor and subgap defect states during reversible light- soaking and irreversible degradation of perovskite solar cells, Energy Environ. Sci. 11 (2018) 151-165. otwiera się w nowej karcie
  66. A. Babayigit, J. D'Haen, H.-G. Boyen, B. Conings, Gas quenching for perovskite thin film deposition, Joule 2 (7) (2018) 1205-1209. otwiera się w nowej karcie
Weryfikacja:
Politechnika Gdańska

wyświetlono 219 razy

Publikacje, które mogą cię zainteresować

Impact of the trap–assisted recombination in the perovskite solar cells

2020

Effect of Different Bromine Sources on the Dual Cation Mixed Halide Perovskite Solar Cells

2020

Understanding the Dominant Physics Mechanisms on the p-i-n Perovskite Solar Cells Fabricated by Scalable Slot-Die Coating Process in Ambient Air

2024

Additive Effect of Bromides and Chlorides on the Performance of Perovskite Solar Cells Fabricated via Sequential Deposition

2021
Meta Tagi