Численне моделювання та аналіз гетероперехідного сонячного елемента без HTM з використанням програми SCAPS-1D

Анотація

У цій дослідницькій роботі пропонується структура перовскітного сонячного елемента (PSC), що не містить HTM (дірково-транспортувальний матеріал), з титаном (TiO₂), метил-амонієвим трийодидом свинцю (CH₃NH₃PbI₃) і платиною (Pt) в якості електронно-транспортного матеріалу (ETM), збирача фотонів та металевого зворотного контакту.  Для реалізації моделі та моделювання була використана програма «Імітатор Ємності Сонячних Елементів» (SCAPS-1D). Проводилось системне дослідження впливу таких параметрів як товщина ЕТМ, товщина поглинача, концентрація легуючих речовин ЕТМ та поглинача, а також спорідненість до електронів (ЕА) електронно-транспортного матеріалу (ЕТМ).  З отриманих результатів було встановлено, що ці параметри впливають на продуктивність сонячного елемента. Коли товщина ETM змінювалась від 0,02 до 0,10 μm, результати показали, що фотоелектричні параметри зменшуються із збільшенням товщини. Коли товщина поглинача змінювалася від 0,1 до 1,0 μm, оптимізоване значення було встановлено при товщині 0,4. Коли концентрація легуючих речовин поглинача та ЕМТ змінювалась від 10¹⁰–10¹⁷ см^-3 та від 10¹⁵–10²⁰ см^-3, найвищі значення PCE (ефективність перетворення потужності) були отримані при 10¹⁶ см^-3 та 10²⁰ см^-3 для поглинача та ЕТМ.  Також, коли ЕА (спорідненість до електронів) змінювалась в діапазоні від 3,7 до 4,5 еВ, оптимізоване значення було на рівні 3,7 еВ. Після оптимізації вищезазначених параметрів було встановлено, що ефективність перетворення потужності (PCE) становить: 25,75%,25,75%, щільність струму короткого замикання (J_sc) – 23,25 мАсм^-2, напруга розімкнутого контуру (V_oc) – 1,24 В, і коефіцієнт заповнення (FF) – 89,50%. Оптимізований результат показує підвищення PCE в ~ 1,95 разів, J_sc в ~ 1,06 разів, V_oc в ~ 1,44 рази і FF в ~ 1,28 разів порівняно з початковим пристроєм із наступними параметрами, PCE = 13,22%, J_sc = 21,96 мАсм^-2, V_oc = 0,86 В і FF = 69,94%.