Проектування та моделювання перовскітного сонячного елемента з потрійним поглинаючим шаром для високої ефективності перетворення

  • Абдеррахім Юсфі Лабораторія ETA, кафедра електроніки, технологічний факультет, Університет Мохамеда Ель Бачіра Ель Ібрагімі, Бордж Бу Аррерідж Алжир https://orcid.org/0000-0003-2071-728X
  • Окба Сайдані Лабораторія ETA, кафедра електроніки, технологічний факультет, Університет Мохамеда Ель Бачіра Ель Ібрагімі, Бордж Бу Аррерідж, Алжир https://orcid.org/0000-0003-0507-5581
  • Зітуні Мессаі Лабораторія ETA, кафедра електроніки, технологічний факультет, Університет Мохамеда Ель Бачіра Ель Ібрагімі, Бордж Бу Аррерідж, Алжир https://orcid.org/0000-0002-2508-3696
  • Рафік Зуахе Кафедра електроніки, технологічний факультет, Університет Мсіла, Алжир
  • Мохамед Меддах Лабораторія ETA, кафедра електроніки, технологічний факультет, Університет Мохамеда Ель Бачіра Ель Ібрагімі, Бордж Бу Аррерідж, Алжир
  • Юнес Белгумрі Лабораторія ETA, кафедра електроніки, технологічний факультет, Університет Мохамеда Ель Бачіра Ель Ібрагімі, Бордж Бу Аррерідж, Алжир
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-4-14
Ключові слова: перовскітний сонячний елемент, CsSn0,5Ge0,5I3, ефективність перетворення потужності, SCAPS-1D

Анотація

У цьому документі представлено комплексне моделювання впливу конфігурації потрійного поглинаючого шару в сонячному елементі на основі перовскіту з використанням програмного забезпечення SCAPS-1D під освітленням AM1.5. Змодельована структура містить шар поглинача із цезію, олова та трийодиду германію (CsSn0,5Ge0,5I3), розміщеного між шарами оксиду індію, галію, цинку (IGZO) та Cu2O. Основною метою цього дослідження є підвищення ефективності перетворення електроенергії (PCE) шляхом оптимізації товщини кожного шару. Щоб перевірити наші результати моделювання, ми порівнюємо їх з експериментальними даними, отриманими з існуючої літератури, і спостерігаємо задовільну згоду між ними. Наші висновки показують, що максимального PCE 28% можна досягти, використовуючи конкретні значення товщини для кожного шару. Зокрема, визначено оптимальну товщину 20 нм для шару IGZO, 200 нм для шару Cu2O та 700 нм для шару перовскіту. Ці оптимізовані значення товщини призводять до значного покращення PCE сонячної батареї, досягаючи 29%. Це досягнення підкреслює ефективність запропонованої нами конфігурації потрійного поглинаючого шару та демонструє її потенціал для підвищення загальної продуктивності сонячної батареї на основі перовскіту. Загалом це дослідження дає цінну інформацію щодо оптимізації конфігурації шару поглинача в перовскітних сонячних елементах, що призводить до підвищення ефективності перетворення електроенергії.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

N.J. Jeon, H. Na, E.H. Jung, T.-Y. Yang, Y.G. Lee, G. Kim, H.-W. Shin, et al., “A fluorene-terminated hole-transporting material for highly efficient and stable perovskite solar cells,” Nature Energy, 3(8), 682-689 (2018). https://doi.org/10.1038/s41560-018-0200-6

N. Li, Z. Zhu, J. Li, A.K.-Y. Jen, L. Wang, “Inorganic CsPb1−xSnxIBr2 for efficient wide‐bandgap perovskite solar cells,” Advanced energy materials, 8(22), 1800525 (2018). https://doi.org/10.1002/aenm.201800525

F. Zhang, B. Yang, Y. Li, W. Deng, and R. He, “Extra-long electron–hole diffusion lengths in CH3NH3PbI3−xClx perovskite single crystals,” Journal of Materials Chemistry C, 5(33), 8431-8435 (2017). https://doi.org/10.1039/C7TC02802D

Q. Ou, X. Bao, Y. Zhang, H. Shao, G. Xing, X. Li, L. Shao, et al., “Band structure engineering in metal halide perovskite nanostructures for optoelectronic applications,” Nano Materials Science, 1(4), 268-287 (2019). https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2019.10.004

K. Tanaka, T. Takahashi, T. Ban, T. Kondo, K. Uchida, and N. Miura, “Comparative study on the excitons in lead-halide-based perovskite-type crystals CH3NH3PbBr3 CH3NH3PbI3,” Solid state communications, 127(9-10), 619-623 (2003). https://doi.org/10.1016/S0038-1098(03)00566-0

K. Yamada, H. Kawaguchi, T. Matsui, T. Okuda, and S. Ichiba, “Structural Phase Transition and Electrical Conductivity of the Perovskite CH3NH3Sn1-xPbxBr3 and CsSnBr3,” Bulletin of the Chemical Society of Japan, 63(9), 2521-2525 (1990). https://doi.org/10.1246/bcsj.63.2521

M.S. Chowdhury, S.A. Shahahmadi, P. Chelvanathan, S.K. Tiong, N. Amin, K. Techato, N. Nuthammachot, et al., “Effect of deep-level defect density of the absorber layer and n/i interface in perovskite solar cells by SCAPS-1D,” Results in Physics, 16, 102839 (2020). https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.102839

M.A. Green, E.D. Dunlop, J. Hohl‐Ebinger, M. Yoshita, N. Kopidakis, and X. Hao, “Solar cell efficiency tables (Version 58),” Progress in photovoltaics: research and applications, 29(7), 657-667 (2021). https://doi.org/10.1002/pip.3506

Y. Jiang, E.J. Juarez-Perez, Q. Ge, S. Wang, M.R. Leyden, L.K. Ono, S.R. Raga, et al., “Post-annealing of MAPbI 3 perovskite films with methylamine for efficient perovskite solar cells,” Materials Horizons, 3(6), 548-555 (2016). https://doi.org/10.1039/C6MH00160B

Y.H. Khattak, F. Baig, A. Shuja, S. Beg, and B.M. Soucase, “Numerical analysis guidelines for the design of efficient novel nip structures for perovskite solar cell,” Solar Energy, 207, 579-591 (2020). https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.07.012

A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, and T. Miyasaka, “Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells,” Journal of the American Chemical Society, 131(17), 6050-6051 (2009). https://doi.org/10.1021/ja809598r

J. Wu, Y. Li, Y. Li, W. Xie, J. Shi, D. Li, S. Cheng, and Q. Meng, “Using hysteresis to predict the charge recombination properties of perovskite solar cells,” Journal of Materials Chemistry A, 9(10), 6382-6392 (2021). https://doi.org/10.1039/D0TA12046D

J.J. Yoo, G. Seo, M.R. Chua, T.G. Park, Y. Lu, F. Rotermund, Y.-K. Kim, et al., “Efficient perovskite solar cells via improved carrier management,” Nature, 590(7847), 587-593 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03285-w

H. Min, D.Y. Lee, J. Kim, G. Kim, K.S. Lee, J. Kim, M.J. Paik, et al., “Perovskite solar cells with atomically coherent interlayers on SnO2 electrodes,” Nature, 598(7881), 444-450 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03964-8

T. Krishnamoorthy, H. Ding, C. Yan, W.L. Leong, T. Baikie, Z. Zhang, M. Sherburne, et al., “Lead-free germanium iodide perovskite materials for photovoltaic applications,” Journal of Materials Chemistry A, 3(47), 23829-23832 (2015). https://doi.org/10.1039/C5TA05741H

M.H. Kumar, S. Dharani, W.L. Leong, P.P. Boix, R.R. Prabhakar, T. Baikie, C. Shi, et al., “Lead‐free halide perovskite solar cells with high photocurrents realized through vacancy modulation,” Advanced Materials, 26(41), 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, et al., “Long minority‐carrier diffusion length and low surface‐recombination velocity in inorganic lead‐free CsSnI3 perovskite crystal for solar cells,” Advanced Functional Materials, 27(7), 1604818 (2017). https://doi.org/10.1002%2Fadfm.201604818

H. Wei, P. Qiu, Y. Li, Y. He, M. Peng, X. Zheng, and X. Liu, “Challenges and strategies of all-inorganic lead-free halide perovskite solar cells,” Ceramics International, 48(5), 5876-5891 (2022). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.11.184

M.-G. Ju, M. Chen, Y. Zhou, J. Dai, L. Ma, N.P. Padture, and X.C. Zeng, “Toward eco-friendly and stable perovskite materials for photovoltaics,” Joule, 2(7), 1231-1241 (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, “Stability of metal halide perovskite solar cells,” Adv. Energy Mater, 5, 1500963 (2015). https://doi.org/10.1002/aenm.201500963

M. Chen, M.-G. Ju, H.F. Garces, A.D. Carl, L.K. Ono, Z. Hawash, Y. Zhang, et al., “Highly stable and efficient all-inorganic lead-free perovskite solar cells with native-oxide passivation,” Nature communications, 10(1), 16 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-018-07951-y

G.G. Chan, C.M. Koch, and L.H. Connors, “Blood proteomic profiling in inherited (ATTRm) and acquired (ATTRwt) forms of transthyretin-associated cardiac amyloidosis,” Journal of Proteome Research, 16(4), 1659-1668 (2017). https://doi.org/10.1021/acs.jproteome.6b00998

E.L. Unger, L. Kegelmann, K. Suchan, D. Sörell, L. Kortec, and S. Albrecht, “Roadmap and roadblocks for the band gap tunability of metal halide perovskites,” Journal of Materials Chemistry A, 5(23), 11401-11409 (2017). https://doi.org/10.1039/C7TA00404D

M. Saliba, T. Matsui, J.-Y. Seo, K. Domanski, J.-P. Correa-Baena, M.K. Nazeeruddin, S.M. Zakeeruddin, et al., “Cesium-containing triple cation perovskite solar cells: improved stability, reproducibility and high efficiency,” Energy & environmental science, 9(6), 1989-1997 (2016). https://doi.org/10.1039/C5EE03874J

P. Roy, and A. Khare, “Analysis of an efficient and eco-friendly CsGeSnI3 based perovskite solar cell: A theoretical study,” Materials Today: Proceedings, 44, 2997-3000 (2021). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.02.253

T. Kamiya, K. Nomura, and H. Hosono, “Present status of amorphous In–Ga–Zn–O thin-film transistors,” Science and Technology of Advanced Materials, (2010). https://doi.org/10.1088/1468-6996/11/4/044305

H. Hosono, J. Kim, Y, Toda, and S. Watanabe, “Transparent amorphous oxide semiconductors for organic electronics: Application to inverted OLEDs,” Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(2), 233-238 (2017). https://doi.org/10.1073/pnas.1617186114

T. Minami, Y. Nishi, T. Miyata, and J.-I. Nomoto, “High-efficiency oxide solar cells with ZnO/Cu2O heterojunction fabricated on thermally oxidized Cu2O sheets,” Applied physics express, 4(6), 062301 (2011). https://doi.org/10.1143/APEX.4.062301

N.K. Singh, and A. Agarwal, “Performance assessment of sustainable highly efficient CsSn0. 5Ge0. 5I3/FASnI3 based Perovskite Solar Cell: A numerical modelling approach,” Optical Materials, 139, 113822 (2023). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2023.113822

S. Bhatt, R. Shukla, C. Pathak, and S. K. Pandey, “Evaluation of performance constraints and structural optimization of a core-shell ZnO nanorod based eco-friendly perovskite solar cell,” Solar Energy, 215, 473-481 (2021). https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.12.069

Raghvendra, R.R. Kumar, and S.K. Pandey, “Performance evaluation and material parameter perspective of eco-friendly highly efficient CsSnGeI3 perovskite solar cell,” Superlattices and Microstructures, 135, 106273 (2019). https://doi.org/10.1016/j.spmi.2019.106273

M. Burgelman, P. Nollet, and S. Degrave, “Modelling polycrystalline semiconductor solar cells,” Thin Solid Films, 361-362, 527–532 (2000). https://doi.org/10.1016/S0040-6090(99)00825-1

N.K. Singh, A. Agarwal, T. Kanumuri, and T. Varshney, “A Study of an Inorganic-Organic HTM on the Implementation of Lead based PSC Device,” in: 2020 IEEE Students Conference on Engineering & Systems (SCES), (IEEE, 2020). pp. 1-6. https://doi.org/10.1109/SCES50439.2020.9236734

N. Nikfar, and N. Memarian, “Theoretical study on the effect of electron transport layer parameters on the functionality of double-cation perovskite solar cells,” Optik, 258, 168932 (2022). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2022.168932

Y.T. Li, C.F. Han, and J.F. Lin, “Characterization of the electrical and optical properties for a-IGZO/Ag/a-IGZO triple-layer thin films with different thickness depositions on a curved glass substrate,” Optical Materials Express, 9(8), 3414-3431 (2019). https://doi.org/10.1364/OME.9.003414

V.K. Jayaraman, A.M. Álvarez, and M. de la luz O. Amador, “Effect of substrate temperature on structural, morphological, optical and electrical properties of IGZO thin films,” Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 86, 164-167 (2017). https://doi.org/10.1016/j.physe.2016.10.029

S. Bouazizi, W. Tlili, A. Bouich, B.M. Soucase, and A. Omri, “Design and efficiency enhancement of FTO/PC60BM/CsSn0. 5Ge0. 5I3/Spiro-OMeTAD/Au perovskite solar cell utilizing SCAPS-1D Simulator,” Materials Research Express, 9(9), 096402 (2022). https://doi.org/10.1088/2053-1591/ac8d52

F. Azri, A. Meftah, N. Sengouga, and A. Meftah, “Electron and hole transport layers optimization by numerical simulation of a perovskite solar cell,” Solar energy, 181, 372-378 (2019). https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.02.017

M. Jamil, A. Ali, K. Mahmood, M.I. Arshad, S. Tahir, M.A. Nabi, S. Ikram, N. Amin, and S. Hussain, “Numerical simulation of perovskite/Cu2Zn (Sn1-xGex)S4 interface to enhance the efficiency by valence band offset engineering,” Journal of Alloys and Compounds, 821, 153221 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.153221

Опубліковано
2023-12-02
Цитовано
Як цитувати
Юсфі, А., Сайдані, О., Мессаі, З., Зуахе, Р., Меддах, М., & Белгумрі, Ю. (2023). Проектування та моделювання перовскітного сонячного елемента з потрійним поглинаючим шаром для високої ефективності перетворення. Східно-європейський фізичний журнал, (4), 137-146. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-4-14
Номер
№ 4 (2023): Східно-європейський фізичний журнал
Розділ
Статті

Авторське право (c) 2023 Абдеррахім Юсфі, Окба Сайдані, Зітуні Мессаі, Рафік Зуахе, Мохамед Меддах, Юнес Белгумрі

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).

Найбільш популярні статті цього автора (авторів)