Дослідження впливу електронних транспортних шарів, дефекту щільності інтерфейсу та робочої температури на перовскітні сонячні батареї з допомогою програмного забезпечення SCAPS 1-D

  • Абубакар С. Юсуф Кафедра фізики, Федеральний технологічний університет, Мінна, Нігерія; Кафедра фізики та астрономії, Оклендський технологічний університет, Нова Зеландія https://orcid.org/0000-0001-8181-9728
  • А.М. Рамалан Кафедра фізики, Університет Абуджі, Абуджа, Нігерія
  • А.А. Абубакар Кафедра фізики, Федеральний технологічний університет, Мінна, Нігерія
  • І.К. Мохаммед Кафедра фізики, Федеральний технологічний університет, Мінна, Нігерія
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-1-31
Ключові слова: перовскіт, сонячна панель, SCAP-1D

Анотація

Перовскітні сонячні панелі привернули значну увагу дослідників сонячних панелей через їх потенціал для досягнення високої ефективності, в першу чергу, пов’язаних з їх винятковим транспортним шаром електронів (ETL). Матеріал ETL є однією з важливих компонентів перовскітних сонячних панелей в проведенні електронів для створення струму. Більше того, існує перспективний проспект для підвищення стабільності та зниження витрат на їх виготовлення шляхом заміни транспортного шару. У цьому конкретному дослідженні TiO2 та SnO2 використовувались як матеріали ETL в архітектурі перовскітної сонячної панелі для порівняльного аналізу між пристроями, що містять ріні структури: TiO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD та SnO2/CH3NH3PbI3/Spiro-OMeTAD. Для оцінки продуктивності кожного транспортного шару електронів (ETL) був використаний інструмент 1D SCAPS. Дослідження передбачало зміну товщини транспортних шарів електронів, щільності дефектів інтерфейсу та робочої температури, що дозволяє вичерпно оцінити пошук ключових параметрів таких як напруга на відкритому ланцюзі (VOC), щільність струму короткого замикання (JSC), коефіцієнт заповнення (FF) та загальна ефективність (PCE%). Примітно, що, використовуючи SnO2 як ETL, досягнута ефективність становить 10,10 %. На відміну від цього, використання TiO2 у якості ETL дає дещо більшу ефективність 12,84%. Ці знахідки підкреслюють нюанси впливу матеріалів транспортного шару на загальну продуктивність сонячних перовскітних батарей.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

P. Kumar, S. Kumar, A.A. Adelodun, and K.-H. Kim, "Solar energy: Potential and future prospects," Renewable and Sustainable Energy Reviews, 82, 894-900 (2018). https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.09.094

I. Kemerchou, F. Rogti, B. Benhaoua, A. Hima, and A. Khechekhouche, "Characterization of organic/inorganic perovskite material CH3NH3PbI3 prepared by spray pyrolysis with moving nozzle method," Recueil De Mécanique, 4(1), 342–348 (2019). https://doi.org/10.5281/zenodo.3447388

A. Kojima, K. Teshima, T. Miyasaka, and Y. Shirai, "Novel photoelectrochemical cell with mesoscopic electrodes sensitized by lead-halide compounds," ECS Meeting Abstracts, MA2006-02, 397 (2006). https://doi.org/10.1149/MA2006-02/7/397

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

NREL, National renewable energy laboratory: best research‐cell efficiency chart, (2021). https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html

M.K. Assadi, S. Bakhoda, R. Saidur, and H. Hanaei, "Recent progress in perovskite solar cells," Renewable and Sustainable Energy Reviews, 81, 2812-2822 (2018). https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.06.088

P. Cheng, and X. Zhan, "Stability of organic solar cells: challenges and strategies," Chemical Society Reviews, 45(9), 2544-2582 (2016). https://doi.org/10.1039/C5CS00593K

L.P. Lekesi, L.F. Koao, S.V. Motloung, T.E. Motaung, and T. Malevu, "Developments on Perovskite Solar Cells (PSCs): A Critical Review," Applied Sciences, 12(2), 672 (2022). https://doi.org/10.3390/app12020672

T. Minemoto, Y. Kawano, T. Nishimura, Q. Shen, K. Yoshino, S. Iikubo, S. Hayase, and J. Chantana, "Theoretical analysis of band alignment at back junction in Sn–Ge perovskite solar cells with inverted p-i-n structure," Solar Energy Materials and Solar Cells, 206, 110268 (2020). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.110268

N. Ito, M.A. Kamarudin, D. Hirotani, Y. Zhang, Q. Shen, Y. Ogomi, S. Iikubo, et al., "Mixed Sn–Ge perovskite for enhanced perovskite solar cell performance in air," The journal of physical chemistry letters, 9(7), 1682-1688 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.8b00275

M. Ng, and J.E. Halpert, "Single crystals of mixed Br/Cl and Sn-doped formamidinium lead halide perovskites via inverse temperature crystallization," RSC Adv, 10(7), 3832-3836 (2020). https://doi.org/10.1039/D0RA00060D

N.-G. Park, "Organometal perovskite light absorbers toward a 20% efficiency low-cost solid-state mesoscopic solar cell," The Journal of Physical Chemistry Letters, 4(15), 2423-2429 (2013). https://doi.org/10.1021/jz400892a

B. Farhadi, M. Ciprian, F. Zabihi, and A. Liu, "Influence of contact electrode and light power on the efficiency of tandem perovskite solar cell: Numerical simulation," Solar Energy, 226, 161-172 (2021). https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.08.043

M. Burgelman, P. Nollet, and S. Degrave, "Modelling polycrystalline semiconductor solar cells," Thin solid films, 361, 527-532 (2000). https://doi.org/10.1016/S0040-6090(99)00825-1

Y.H. Khattak, Doct. Thesis, Modeling of high power conversion efficiency thin film solar cells, Universitat Politècnica de València, 2019. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/118802

M. Burgelman, K. Decock, A. Niemegeers, J. Verschraegen, and S. Degrave, SCAPS manual, (University of Gent Department of Electronics and Information Systems (ELIS) Campus Ardoyen, Technologiepark 914, Grote Steenweg Noord 9052 Gent-Zwijnaarde ‘Belgium’, 2016).

A. Husainat, W. Ali, P. Cofie, J. Attia, and J. Fuller, "Simulation and analysis of methylammonium lead iodide (CH3NH3PbI3) perovskite solar cell with Au contact using SCAPS 1D simulator," American Journal of Optics and Photonics, 7(2), 33 (2019). https://doi.org/10.11648/j.ajop.20190702.12

B.M. Soucase, I.G. Pradas, and K.R. Adhikari, "Numerical simulations on perovskite photovoltaic devices," in: Perovskite Materials - Synthesis, Characterisation, Properties, and Applications, edited by L. Pan, and G. Zhu, 445, (IntechOpen, 2016). https://doi.org/10.5772/61751

Hazeghi, F. and S.M.B. Ghorashi, "Simulation of perovskite solar cells by using CuSCN as an inorganic hole-transport material," Materials Research Express, 6(9), 095527 (2019). https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab2f1b

T. Pu, H. Shen, and Q. Tang, "Simulation of a charged Al2O3 film as an assisting passivation layer for a-Si passivated contact P-type silicon solar cells," Silicon, 14(7), 3339-3348 (2022). https://doi.org/10.1007/s12633-021-01105-4

S.T. Jan, and M. Noman, "Influence of layer thickness, defect density, doping concentration, interface defects, work function, working temperature and reflecting coating on lead-free perovskite solar cell," Solar Energy, 237, 29-43 (2022). https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.03.069

R. Kotipalli, B. Vermang, J. Joel, R. Rajkumar, M. Edoff, and D. Flandre, "Investigating the electronic properties of Al2O3/Cu(In, Ga) Se2 interface," AIP Advances, 5(10), 107101 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4932512

K. Tan, P. Lin, G. Wang, Y. Liu, Z. Xu, and Y. Lin, "Controllable design of solid-state perovskite solar cells by SCAPS device simulation," Solid-State Electronics, 126, 75-80 (2016). https://doi.org/10.1016/j.sse.2016.09.012

H. Abedini-Ahangarkola, S. Soleimani-Amiri, and S.G. Rudi, "Modeling and numerical simulation of high efficiency perovskite solar cell with three active layers," Solar Energy, 236, 724-732 (2022). https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.03.055

J. Lontchi, M. Zhukova, M. Kovacic, J. Krc, W.-C. Chen, M. Edoff, S. Bose, et al., "Optimization of Back Contact Grid Size in Al2O3-Rear-Passivated Ultrathin CIGS PV Cells by 2-D Simulations," IEEE Journal of Photovoltaics, 10(6), 1908-1917 (2020). https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2020.3012631

T. Minemoto, and M. Murata, "Impact of work function of back contact of perovskite solar cells without hole transport material analyzed by device simulation," Current Applied Physics, 14(11), 1428-1433 (2014). https://doi.org/10.1016/j.cap.2014.08.002

D. Stanić, V. Kojić, T. Čižmar, K. Juraić, L. Bagladi, J. Mangalam, T. Rath, and A. Gajović, "Simulating the performance of a formamidinium based mixed cation lead halide perovskite solar cell," Materials, 14(21), 6341 (2021). https://doi.org/10.3390/ma14216341

S. Abdelaziz, A. Zekry, A. Shaker, and M. Abouelatta, "Investigating the performance of formamidinium tin-based perovskite solar cell by SCAPS device simulation," Optical Materials, 101, 109738 (2020). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.109738

S. Bansal, and P. Aryal, "Evaluation of new materials for electron and hole transport layers in perovskite-based solar cells through SCAPS-1D simulations," in: 2016 IEEE 43rd Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), (IEEE, 2016). pp.1-4. https://doi.org/10.1109/PVSC.2016.7749702

H.-J. Du, W.-C. Wang, and J.-Z. Zhu, "Device simulation of lead-free CH3NH3SnI3 perovskite solar cells with high efficiency," Chinese Physics B, 25(10), 108802 (2016). https://doi.org/10.1088/1674-1056/25/10/108802

D. Liu, and T.L. Kelly, "Perovskite solar cells with a planar heterojunction structure prepared using room-temperature solution processing techniques," Nature photonics, 8(2), 133-138 (2014). https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.342

M.D. Stamate, "On the dielectric properties of dc magnetron TiO2 thin films," Applied Surface Science, 218(1-4), 318-323 (2003). https://doi.org/10.1016/S0169-4332(03)00624-X

S. Karthick, S. Velumani, and J. Bouclé, "Experimental and SCAPS simulated formamidinium perovskite solar cells: A comparison of device performance," Solar Energy, 205, 349-357 (2020). https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.05.041

Y. Gan D. Zhao, B. Qin, X. Bi, Y. Liu, W. Ning, R. Yang, and Q. Jiang, "Numerical Simulation of High-Performance CsPbI3/FAPbI3 Heterojunction Perovskite Solar Cells," Energies, 15(19), 7301 (2022). https://doi.org/10.3390/en15197301

E. Danladi, M.Y. Onimisi, S. Garba, R.U. Ugbe, J.A. Owolabi, O.O. Ige, G.J. Ibeh, and A.O. Muhammed, "Simulation and optimization of lead-based perovskite solar cells with cuprous oxide as a P-type inorganic layer," Journal of the Nigerian Society of Physical Sciences, 72-81 (2019). https://doi.org/10.46481/jnsps.2019.13

S.B. Zerarka Selssabil, M.Sc. thesis, "Study of electron transport effect on perovskite solar cells using simulation," University Mohamed Khider de Biskra, 2020.

M.S. Rahman, S. Miah, M.S.W. Marma, and T. Sabrina, "Simulation based investigation of inverted planar perovskite solar cell with all metal oxide inorganic transport layers," in: 2019 International Conference on Electrical, Computer and Communication Engineering (ECCE), (IEEE, 2019).

A.K. Das, R. Mandal, and D. Mandal, "Impact of HTM on lead-free perovskite solar cell with high efficiency," Optical and Quantum Electronics, 54(7), 1-20 (2022). https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1366687/v1

U. Mehmood, A. Al-Ahmed, F.A. Al-Sulaiman, M.I. Malik, F. Shehzad, and A. Ul Haq Khan, "Effect of temperature on the photovoltaic performance and stability of solid-state dye-sensitized solar cells: A review," Renewable and Sustainable Energy Reviews, 79, 946-959 (2017). https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.114

Опубліковано
2024-03-05
Цитовано
Як цитувати
Юсуф, А. С., Рамалан, А., Абубакар, А., & Мохаммед, І. (2024). Дослідження впливу електронних транспортних шарів, дефекту щільності інтерфейсу та робочої температури на перовскітні сонячні батареї з допомогою програмного забезпечення SCAPS 1-D. Східно-європейський фізичний журнал, (1), 332-341. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-1-31
Номер
№ 1 (2024): Східно-європейський фізичний журнал
Розділ
Статті

Авторське право (c) 2024 Абубакар С. Юсуф, А.М. Рамалан, А.А Абубакар, І.К. Мохаммед

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).