Чисельне дослідження сонячної батареї на основі 25,459% легованого неорганічного перовскіту, що не містить CsSnGeI3, шляхом моделювання пристрою

  • Мухаммед О. Абдулмалік Фізичний факультет, Науково-технологічний університет Конфлюенс, Осара, штат Когі, Нігерія https://orcid.org/0000-0002-3250-7864
  • Елі Данладі Фізичний факультетФедеральний університет наук про здоров’я, Отукпо, штат Бенуе, Нігерія https://orcid.org/0000-0001-5109-4690
  • Ріта С. Обасі Центр розвитку супутникових технологій NASRDA, Абуджа, Нігерія
  • Філібус М. Гюк Фізичний факультет, Університет штату Кадуна, Кадуна, Нігерія
  • Френсіс У. Саліфу Фізичний факультет, Науково-технологічний університет Конфлюенс, Осара, штат Когі, Нігерія https://orcid.org/0000-0001-9015-2347
  • Сулейман Магаджi Факультет електроніки та інженерії зв'язку, Нігерійська оборонна академія, Кадуна, Нігерія
  • Анселем С. Егбуга Операційний підрозділ, Starsight Energy, Нігерія
  • Даніель Томас Фізичний факультет, Університет штату Кадуна, Кадуна, Нігерія
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2022-4-12
Ключові слова: перовскітні сонячні елементи, SCAPS–1D, CsSnGeI3, дірковий транспортний матеріал, електротранспортний матеріал

Анотація

Токсичний свинцевий компонент, а також дорогий і менш стабільний spiro-OMeTAD у перовскітних сонячних елементах (PSC) створюють велику перешкоду для їх комерційної життєздатності. У цьому дослідженні було запропоновано та реалізовано обчислювальний підхід до моделювання та симуляції всіх неорганічних перовскітних сонячних елементів на основі цезію олова-германію (CsSnGeI3) за допомогою інструменту імітатора ємності сонячних елементів (SCAPS–1D). Допований алюмінієм оксид цинку (ZnO:Al) і йодид міді (CuI) використовувалися як транспортні шари електронів і дірок (ETL і HTL) відповідно. Початковий пристрій без будь-якої оптимізації дав ефективність перетворення потужності (PCE) 24,826%, коефіцієнт заповнення (FF) 86,336%, щільність струму короткого замикання (Jsc) 26,174 мА/см2 і напругу холостого ходу (Voc) 1,099 В. При зміні вищезазначених параметрів індивідуально, зберігаючи інші незмінними, оптимальні значення становлять 1000 нм для товщини поглинача, 1014 см-3 для щільності дефектів шару поглинача, 50 нм для товщини ETL, 1017 см‑3 для концентрації легування ETL і 260 K для температури . Моделювання з цими оптимізованими значеннями призводить до PCE 25,459%, Voc 1,145 В, Jsc 25,241 мА/см2 і FF 88,060%. Ці результати вказують на те, що CsSnGeI3 є життєздатним альтернативним поглинаючим шаром для використання в конструкції перовскітного сонячного елемента з високим PCE.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

S. Ameen, M.A. Rub, S.A. Kosa, K.A. Alamry, M.S. Akhtar, H.S. Shin, H.K. Seo, A.M. Asiri, and M.K. Nazeeruddin. ChemSusChem, 9, 10 (2016). https://doi.org/10.1002/cssc.201501228

A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, and T. Miyasaka, Journal of American Chemical Society, 131, 6050 (2009). https://doi.org/10.1021/ja809598r

M.A. Green, A. Ho-Baillie, and H.J. Snaith, Nature Photonics, 8, 506 (2014). https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.134

Z. Qu, F. Ma, Y. Zhao, X. Chu, S. Yu, and J. You, Chinese Physics Letters, 38, 107801 (2021). https://doi.org/10.1088/0256-307X/38/10/107801

B. Ai, Z. Fan, and Z.J. Wong, Microsystems & Nanoengineering, 8, 5 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-021-00334-2

Z.N. Jahanbakhshi, Z.M. Borhani, and M.R. Nateghi, Thin Solid Films, 671, 139 (2019). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.12.029

E. Danladi, M. Kashif, A. Ichoja, and B.B. Ayiya, Transactions of Tianjin University, 28(5), (2022). https://doi.org/10.1007/s12209-022-00343-w

G. Pindolia, S. M. Shinde, and P.K. Jha, Solar Energy, 236, 802 (2022). https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.03.053

W. Ke, and M.G. Kanatzidis, Nature Communications, 10, 965 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-08918-3

N.K. Noel, S.D. Stranks, A. Abate, C. Wehrenfennig, S. Guarnera, A.A. Haghighirad, A. Sadhanala, G.E. Eperon, S.K. Pathak, M.B. Johnston, A. Petrozza, L.M. Herz, and H.J. Snaith, Energy & Environmental Science, 7, 3061 (2014). https://doi.org/10.1039/C4EE01076K

M. Roknuzzaman, K. Ostrikov, H. Wang, A. Du, and T. Tesfamichael, Scientific Reports, 7, 14025 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-13172-y

D. Sabba, H.K. Mulmudi, R.R. Prabhakar, T. Krishnamoorthy, T. Baikie, P.P. Boix, S. Mhaisalkar, and N. Mathews, Journal of Physical Chemistry C, 119, 1763–1767 (2015). https://doi.org/10.1021/jp5126624

M.H. Kumar, S. Dharani, W.L. Leong, P.P. Boix, R.R. Prabhakar, T. Baikie, C. Shi, H. Ding, R. Ramesh, M. Asta, M. Graetzel, S.G. Mhaisalkar, and N. Mathews, Advanced Materials, 26, 7122–7127 (2014). https://doi.org/10.1002/adma.201401991

B. Wu, Y. Zhou, G. Xing, Q. Xu, H.F. Garces, A. Solanki, T.W. Goh, N.P. Padture, and T.C. Sum, Advanced Functional Materials, 27, 1604818 (2017). https://doi.org/10.1002/adfm.201604818

H. Wei, P. Qiu, Y.E. Li, Y. He, M. Peng, X. Zheng, and X. Liu, Ceramics International, 48(5), 5876 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.11.184

M. Chen, M.G. Ju, H.F. Garces, A.D. Carl, L.K. Ono, Z. Hawash, Y. Zhang, T. Shen, Y. Qi, R.L. Grimm, D. Pacifici, X.C. Zeng, Y. Zhou, and N.P. Padture, Nature Communications, 10, 16 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-018-07951-y

M.G. Ju, M. Chen, Y. Zhou, J. Dai, L. Ma, N.P. Padture, and X.C. Zeng, Joule, 2, 1231 (2018). https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.04.026

T. Leijtens, G.E. Eperon, N.K. Noel, S.N. Habisreutinger, A. Petrozza, and H.J. Snaith, Advanced Energy Materials, 5, 1500963 (2015). https://doi.org/10.1002/aenm.201500963

O.A. Muhammed, E. Danladi, P.H. Boduku, J. Tasiu, M.S. Ahmad, and N. Usman, East European Journal of Physics, 2, 146 (2021). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2021-2-12

E. Danladi, M.Y. Onimisi, S. Garba, R.U. Ugbe, J.A. Owolabi, O.O. Ige, G.J. Ibeh, and A.O. Muhammed, Journal of the Nigerian Society of Physical Sciences, 1, 72 (2019). https://doi.org/10.46481/jnsps.2019.13

A. Tara, V. Bharti, S. Sharma, and R. Gupta, Optical Materials, 128, 112403 (2022). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112403

H. Pan, X. Zhao, X. Gong, H. Li, N.H. Ladi, X.L. Zhang, W. Huang, S. Ahmad, L. Ding, Y. Shen, M. Wang, and Y. Fu, Materials Horizons, 7, 2276 (2020). https://doi.org/10.1039/D0MH00586J

N.S.N. M. Alias, F. Arith, A.N. Mustafa, M.M. Ismail, N.F. Azmi, and M.S. Saidon, Journal of Engineering and Technological Sciences, 54(4), 220409 (2022). https://doi.org/10.5614/j.eng.technol.sci.2022.54.4.9

M.F.M. Noh, C.H. Teh, R. Daik, E.L. Lim, C.C. Yap, M.A. Ibrahim, N.A. Ludin, A.R.B.M. Yusoff, J. Jang, and M.A.M. Teridi, Journal of Materials Chemistry C, 6, 682 (2018). https://doi.org/10.1039/C7TC04649A

H. Sabbah, Materials, 15, 3229 (2022). https://doi.org/10.3390/ma15093229

N. Singh, A. Agarwal, and M. Agarwal, Superlattices and Microstructures, 149, 106750 (2021). https://doi.org/10.1016/j.spmi.2020.106750

S.M. Seyed-Talebi, and J. Beheshtian, International Journal of Energy and Power Engineering, 15(6), 252 (2021).

K. Chakraborty, M.G. Choudhury, and S. Paul, Solar Energy, 194, 886 (2019). https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.11.005

F. Hao, C.C. Stoumpos, D.H. Cao, R.P. Chang, and M.G. Kanatzidis, Nature Photonics, 8(6), 489 (2014). https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.82

W. Ning, F. Wang, B. Wu, J. Lu, Z. Yan, X. Liu, Y. Tao, J.M. Liu, W. Huang, M. Fahlman, and L. Hultman, Advanced Materials, 30(20), 1706246 (2018). http://dx.doi.org/10.1002/adma.201706246

S.Z. Haider, H. Anwar, and M. Wang, Semiconductor Science and Technology, 33(3), 035001 (2018). https://doi.org/10.1088/1361-6641/aaa596

C.M. Wolff, P. Caprioglio, M. Stolterfoht, and D. Neher, Advanced Materials, 31(52), 1902762 (2019). http://dx.doi.org/10.1002/adma.201902762

M.I. Hossain, F.H. Alharbi, and N. Tabet, Solar Energy, 120, 370 (2015). https://doi.org/10.1016/j.solener.2015.07.040

C.S. Solanki, Solar Photovoltaics: Fundamentals, Technologies and Applications, (PHI Learning Pvt. Ltd., New Delhi, 2015).

F. Anwar, R. Mahbub, S.S. Satter, and S.M. Ullah, International Journal of Photoenergy, Article ID 9846310, (2017). https://doi.org/10.1155/2017/9846310

J.P. Correa-Baena, M. Anaya, G. Lozano, W. Tress, K. Domanski, M. Saliba, T. Matsui, T.J. Jacobsson, M.E. Calvo, A. Abate, M. Grätzel, H. Míguez, and A. Hagfeldt, Advanced Materials, 28(5031), 7 (2016). https://doi.org/10.1002/adma.201600624

A. Mahmood, T. Munir, M. Fakhar-e-Alam, M. Atif, K. Shazad, K.S. Alimgeer, T.G. Nguyen H. Ahmad, and S. Ahmad, Journal of King Saud University-Science, 34(2), 101796, (2022). https://doi.org/10.1016/j.jksus.2021.101796

E. Danladi, M. Kashif, T.O. Daniel, C.U. Achem, M. Alpha, and M. Gyan, East European Journal of Physics, 3, 19 (2022). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2022-3-03

Цитування

SCAPS-1D simulation of a high-efficiency quantum dot solar cell using Sb2Se3 as an absorber layer
Ikyumbur T.J., Gbaorun F., McAsule A.A., Aper T.M., Akiiga N.S., Gundu A.A. & Shiada M.S. (2024) Next Research
Crossref

Highly efficient 25.562% Cs2AgBiBr6 double perovskite solar cell with copper barium tin sulfide and ZnO as charge transport channels: an intuition from a theoretical study using SCAPS-1D
Danladi Eli, Oguzie Emeka E. & Ezema Fabian I. (2025) Journal of Photonics for Energy
Crossref


Talal Tanvir Aftab, Sadh Maheraf Hossain, Shohan Md. Eftekar Hossain, Siam Neamul Islam, Datta Apon Kumar & Suny Md Bijoy (2024)
Crossref

A Qualitative Theoretical Study of Inorganic HTM-Free RbGeI3 Based Perovskite Solar Cells Using SCAPS 1D as a Pathway Towards 3.601% Efficiency
Ekwu Mary T., Danladi Eli, Tasie Nicholas N., Haruna Idoko S., Okoro Osaretin E., Gyuk Philibus M., Jimoh Olayinka M. & Obasi Rita C. (2023) East European Journal of Physics
Crossref

Modeling and simulation of > 19% highly efficient PbS colloidal quantum dot solar cell: A step towards unleashing the prospect of quantum dot absorber
Danladi Eli, Kashif Muhammad, Ouladsmane Mohamed, Hossain Ismail, Egbugha Anselem C., Alao Joseph O., Achem Christopher U., Tasie Nicholas N., Aremo Oluwatosin S. & Umar Ahmed M. (2023) Optik
Crossref

Influence of perovskite thickness on the performance of silver-doped NaZnBr3 perovskite solar cells using SCAPS software
Abdulmalik M.O. & Danladi E. (2023) Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics
Crossref

Modeling and Simulation of MAPbI3-Based Solar Cells with SnS2 as the Electron Transport Layer (ETL) and MoS2 as the Hole Transport Layer (HTL)
Li Min, Guo Shuai, Zhao Xiaoyu, Quan Sufeng, Wang Xuefeng, Wu Mengxuan, Liu Ruibin & Weller Dieter (2024) ACS Applied Electronic Materials
Crossref

Highly efficient, hole transport layer (HTL)-free perovskite solar cell based on lithium-doped electron transport layer by device simulation
Danladi Eli, Jubu Peverga R., Tighezza Ammar M., Hossain Ismail, Tasie Nicholas N., Abdulmalik Muhammed O., Egbugha Anselem C., Awoji Michael O., Kashif Muhammad, Onoja Emmanuel D. & Amanyi Matthew I. (2023) Emergent Materials
Crossref

Unraveling high-efficiency lead-free perovskite solar cells using a CsSnGeI3/CsGeI3 dual absorber and a Cu2O HTL
Rahman Md. Ferdous, Rahman Mahabur, Hossain Md. Faruk, Islam Md. Rezwanul, Islam Sahjahan, Ria Dipika Das, Benami Abdellah, Irfan Ahmad & Badi Nacer (2025) Scientific Reports
Crossref

Numerical investigation and performance improvement of a lead-free WS2/CH3NH3SnI3/spiro-OMeTAD solar cell using SCAPS-1D
Keerthi Priya T & Deb Prasenjit (2026) Physica Scripta
Crossref

Designing High-Performance Tandem Solar Cells Using Pb-free Organic–Inorganic Perovskite Materials
Devi Heena, Sharma Mehak, Bharti Vishal, Tara Ayush, Sharma Susheel & Gupta Rockey (2025) Journal of Electronic Materials
Crossref

Unraveling a Novel CsSnI3 and CsSnGeI3 Double Absorber Perovskite Solar Cell
Rahman Md. Ferdous, Akter Rihan, Hossain Md. Faruk, Badi Nacer, Irfan Ahmad & Balasingam Suresh Kannan (2025) International Journal of Energy Research
Crossref

Highly efficient lead-free perovskite solar cell based on magnesium-doped copper delafossite hole transport layer: a SCAPS-1D framework prospect
Durodola Omotayo M., Ugwu Cornelius & Danladi Eli (2023) Emergent Materials
Crossref

Enhancing ZnO/Si Heterojunction Solar Cells: A Combined Experimental And Simulation Approach
Yusupov Fakhriddin T., Rakhmonov Tokhirbek I., Akhmadjonov Mekhriddin F., Madrahimov Muminjon M. & Abdullayev Sherzod Sh. (2024) East European Journal of Physics
Crossref

Defect and doping concentration study with series and shunt resistance influence on graphene modified perovskite solar cell: A numerical investigation in SCAPS-1D framework
Danladi Eli, Egbugha Anselem C., Obasi Rita C., Tasie Nicholas N., Achem Christopher U., Haruna Idoko S. & Ezeh Loveth O. (2023) Journal of the Indian Chemical Society
Crossref

All‐Inorganic Tin‐Containing Perovskite Solar Cells: An Emerging Eco‐Friendly Photovoltaic Technology
Zhang Xiang, Zhang Dan, Wang Zaiwei, Zhao Yixin & Chen Hao (2025) Advanced Materials
Crossref

Defect control and performance optimization in Li+/Na+ Co-doped HTL-free Cs2AgBiBr6 double perovskite solar cells: Toward an efficient HTL-free architecture
Danladi E., Koao L.F., Motaung T.E. & Motloung S.V. (2026) Journal of the Indian Chemical Society
Crossref

Опубліковано
2022-12-06
Цитовано
Як цитувати
Абдулмалік, М. О., Данладі, Е., Обасі, Р. С., Гюк, Ф. М., Саліфу, Ф. У., МагаджiС., Егбуга, А. С., & Томас, Д. (2022). Чисельне дослідження сонячної батареї на основі 25,459% легованого неорганічного перовскіту, що не містить CsSnGeI3, шляхом моделювання пристрою. Східно-європейський фізичний журнал, (4), 125-135. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2022-4-12
Номер
№ 4 (2022): Східно-європейський фізичний журнал
Розділ
Статті

Авторське право (c) 2022 Мухаммед О. Абдулмалік, Елі Данладі, Ріта С. Обасі, Філібус М. Гюк, Френсіс У. Саліфу, Сулейман Магаджі, Анселем С. Егбуга, Даніель Томас

Ліцезія Creative Commons

Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

    • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).