論文の概要: Hierarchically structured, high-efficiency and thermally robust perovskite solar cells with band-engineered double-hole layers

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.03146v1
• Date: Wed, 03 Sep 2025 08:55:15 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-04 21:40:46.470249
• Title: Hierarchically structured, high-efficiency and thermally robust perovskite solar cells with band-engineered double-hole layers
• Title（参考訳）: バンド工学的二重ホール層を有する階層構造, 高効率, 耐熱性ペロブスカイト太陽電池
• Authors: Md. Faiaad Rahman, Arpan Sur, Ahmed Zubair,
• Abstract要約: MAPbI3をベースとしたPSCの電力変換効率(PCE)を電子・形態工学の統合により向上させる理論的枠組みを提案する。 ペロブスカイト/HTL接合部における界面再結合と非効率ホール抽出に対処するため,二重孔輸送層(HTL)スタックを導入した。 本研究では, 階層型楕円形太陽電池(HEPSC)を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Despite the promising optoelectronic properties of methylammonium lead iodide (MAPbI3)-based perovskite solar cells (PSCs), their commercial viability is hindered by interfacial energy misalignment, suboptimal light absorption, and thermal instability. Here, we present a comprehensive theoretical framework to enhance the power conversion efficiency (PCE) of MAPbI3 based PSC through integrated electronic and morphological engineering. Firstly, to address interfacial recombination and inefficient hole extraction at the perovskite/HTL junction, we introduced a double hole transport layer (HTL) stack comprising CuO and I2O5-doped Spiro-OMeTAD, which significantly improved energy level alignment and carrier selectivity. Comprehensive multiphysics simulations, combining finite-difference time-domain (FDTD) optical analysis with finite element method (FEM) based electrical and thermal modeling, demonstrated that optimized doping concentrations and thickness parameters within the CuO/Spiro-OMeTAD hole transport layers can enhance the PCE to 22.78%. However, planar architectures, while offering ease of fabrication and scalability, exhibit weak near-UV and near-infrared absorption, whereas nanostructures attain superior light trapping but incur significant fabrication complexity, underscoring the need for balanced design strategies. To address these inherent limitations, we propose a hierarchical ellipsoidal patterned solar cell (HEPSC), wherein a top-layer ellipsoidal nanostructure is introduced across the full device stack. This design enhances broadband light trapping and optical confinement throughout the active layers while maintaining fabrication feasibility through geometrically realistic structuring.
• Abstract（参考訳）: 鉛ヨウ化メチルアンモニウム(MAPbI3)系ペロブスカイト太陽電池(PSC)の光電子特性は期待できるが、その商業的生存性は界面エネルギーの不整合、準最適光吸収、熱不安定によって妨げられる。 本稿では、MAPbI3をベースとしたPSCの電力変換効率(PCE)を電子・形態工学の統合により向上させる、包括的な理論的枠組みを提案する。 第一に, ペロブスカイト/HTL接合部における界面再結合と非効率ホール抽出に対処するため, CuO と I2O5 をドープした Spiro-OMeTAD からなる二重孔輸送層 (HTL) スタックを導入し, エネルギーレベルアライメントとキャリア選択性を著しく改善した。 有限差分時間領域(FDTD)光解析と有限要素法(FEM)に基づく電気・熱モデルを組み合わせた総合多物理シミュレーションにより、CuO/Spiro-OMeTADホール輸送層内のドーピング濃度と厚さパラメータの最適化がPCEを22.78%向上させることを示した。 しかし、平面構造は製造の容易さとスケーラビリティを提供する一方で、近紫外線と近赤外線吸収が弱いのに対して、ナノ構造は優れた光トラップを実現するが、製造の複雑さは大きいため、バランスの取れた設計戦略の必要性が強調されている。 これらの制約に対処するため,階層型楕円形太陽電池 (HEPSC) を提案する。 この設計は、幾何学的に現実的な構造をすることで製造可能性を維持しつつ、アクティブ層全体のブロードバンド光トラップと光閉じ込めを強化する。

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