Оптимізація сонячних елементів на основі халькогеніду перовскиту MgHfS3 з використанням SCAPS-1D
Анотація
У цій роботі перовскітні сонячні батареї магнію-гафнію сульфіду MgHfS3 були досліджені за допомогою чисельного моделювання та моделювання. Перовскітові сонячні батареї отримали все більше визнання завдяки їхнім багатообіцяючим властивостям збору світла. Моделювання MgHfS3 було успішно проведено за допомогою програмного забезпечення моделювання ємності сонячних батарей (SCAPS-1D). В дослідження розроблено структуру базової моделі FTO/TiO2/MgHfS3/Cu2O/Au і досліджено вплив змінних властивостей шару пристрою, таких як товщина поглинача, загальна щільність дефектів і щільність дефектів на межі розділу, з метою оптимізації цих параметрів для кращої продуктивності пристрою. Симуляція базової моделі дала робочі характеристики 0,99 В, 25,21 мА/см2, 57,59% і 14,36%, які є напругою холостого ходу (Voc), щільністю струму короткого замикання (Jsc), коефіцієнтом заповнення (FF) і PCE відповідно. Було встановлено, що оптимальна товщина поглинача становить 300 нм, а оптимальна щільність дефектів як для межі поділу TiO2/поглинач, так і для межі поглинача/Cu2O становить відповідно 1010 см-3 і 109 см-3. Отримані оптимізовані параметри PV становлять Voc = 1,2629 В, Jsc = 24,44 мА/см2, FF = 89,46% і PCE = 27,61%. Крім того, було встановлено, що підвищення температури пристрою понад 300 К посилює струм короткого замикання, тоді як інші характеристики продуктивності поступово знижуються. Отримані результати свідчать про те, що халькогенід MgHfS3 є потенційним кандидатом на поглинач для виробництва дешевих і дуже ефективних екологічно чистих перовскітних сонячних елементів.
Завантаження
Посилання
NREL, “Photovoltaic Research,” Interactive Best Research-Cell Efficiency Chart. Accessed: Mar. 01, 2024. [Online]. Available: https://www.nrel.gov/pv/interactive-cell-efficiency.html
D. Tiwari, O.S. Hutter, and G. Longo, “Chalcogenide perovskites for photovoltaics: current status and prospects,” J. Phys. Energy, 3(3), 034010 (2021). https://doi.org/10.1088/2515-7655/abf41c
S. Karthick, S. Velumani, and J. Bouclé, “Chalcogenide BaZrS3 perovskite solar cells: A numerical simulation and analysis using SCAPS-1D,” Opt. Mater. 126, 112250 (2022). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112250
H. Shaili, et al., “Synthesis of the Sn-based CaSnS3 chalcogenide perovskite thin film as a highly stable photoabsorber for optoelectronic applications,” J. Alloys Compd. 851, 156790 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156790
Q.A. Akkerman, and L. Manna, “What Defines a Halide Perovskite?,” ACS Energy Lett. 5(2), 604–610 (2020). https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00039
W. Meng, B. Saparov, F. Hong, J. Wang, D. B. Mitzi, and Y. Yan, “Alloying and Defect Control within Chalcogenide Perovskites for Optimized Photovoltaic Application,” Chem. Mater. 28(3), 821–829 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b04213
Y. Nishigaki, et al., “Extraordinary Strong Band‐Edge Absorption in Distorted Chalcogenide Perovskites,” Sol. RRL, 4(5), 1900555 (2020). https://doi.org/10.1002/solr.201900555
Y.-Y. Sun, M. L. Agiorgousis, P. Zhang, and S. Zhang, “Chalcogenide Perovskites for Photovoltaics,” Nano Lett. 15(1), 581 585 (2015). https://doi.org/10.1021/nl504046x
M. Kumar, A. Singh, D. Gill, and S. Bhattacharya, “Optoelectronic Properties of Chalcogenide Perovskites by Many-Body Perturbation Theory,” J. Phys. Chem. Lett. 12(22), 5301–5307 (2021). https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.1c01034
R.O. Balogun, M.A. Olopade, O.O. Oyebola, and A.D. Adewoyin, “First-principle calculations to investigate structural, electronic and optical properties of MgHfS3,” Mater. Sci. Eng. B, 273, 115405 (2021). https://doi.org/10.1016/j.mseb.2021.115405
I. Gharibshahian, A.A. Orouji, and S. Sharbati, “Alternative buffer layers in Sb2Se3 thin‐film solar cells to reduce open‐circuit voltage offset,” Sol. Energy, 202, 294–303 (2020). https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.03.115
V. C. Karade, et al., “Combating open circuit voltage loss in Sb2Se3 solar cell with an application of SnS as a back surface field layer,” Sol. Energy, 233, 435–445 (2022). https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.01.010
Mamta, K. K. Maurya, and V. N. Singh, “Sb2Se3 versus Sb2S3 solar cell: A numerical simulation,” Sol. Energy, 228, 540–549, (2021). https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.09.080
Mamta, K.K. Maurya, and V.N. Singh, “Enhancing the Performance of an Sb2Se3-Based Solar Cell by Dual Buffer Layer,” Sustainability, 13(21), 12320 (2021). https://doi.org/10.3390/su132112320
A. Srivastava, T.R. Lenka, and S. K. Tripathy, “SCAPS-1D Simulations for Comparative Study of Alternative Absorber Materials Cu2XSnS4 (X = Fe, Mg, Mn, Ni, Sr) in CZTS-Based Solar Cells,” in: Micro and Nanoelectronics Devices, Circuits and Systems, 781, edited by T.R. Lenka, D. Misra, and A. Biswas, (Springer, Singapore, 2022), pp. 329–337. https://doi.org/10.1007/978-981-16-3767-4_31
Md. D. Haque, Md.H. Ali, and A.Z.Md.T. Islam, “Efficiency enhancement of WSe2 heterojunction solar cell with CuSCN as a hole transport layer: A numerical simulation approach,” Sol. Energy, 230, 528–537 (2021). https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.10.054
M. Minbashi, A. Ghobadi, M.H. Ehsani, H.R. Dizaji, and N. Memarian, “Simulation of high efficiency SnS-based solar cells with SCAPS,” Sol. Energy, 176, 520–525 (2018). https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.10.058
S. Karthick, S. Velumani, and J. Bouclé, “Experimental and SCAPS simulated formamidinium perovskite solar cells: A comparison of device performance,” Sol. Energy, 205, 349–357 (2020). https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.05.041
D. Jayan K, V. Sebastian, and J. Kurian, “Simulation and optimization studies on CsPbI3 based inorganic perovskite solar cells,” Sol. Energy, 221, 99–108 (2021). https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.04.030
M. Mehrabian, E.N. Afshar, and S.A. Yousefzadeh, “Simulating the thickness effect of the graphene oxide layer in CsPbBr 3 - based solar cells,” Mater. Res. Express, 8(3), 035509 (2021). https://doi.org/10.1088/2053-1591/abf080
A. Chauhan, A. Oudhia, and A.K. Shrivastav, “Analysis of eco-friendly tin-halide Cs2SnI6-based perovskite solar cell with all-inorganic charge selective layers,” J. Mater. Sci. Mater. Electron. 33(3), 1670–1685 (2022). https://doi.org/10.1007/s10854-022-07723-x
M.R. Jani, et al., “Exploring solar cell performance of inorganic Cs2TiBr6 halide double perovskite: A numerical study,” Superlattices Microstruct. 146, 106652 (2020). https://doi.org/10.1016/j.spmi.2020.106652
D. Saikia, J. Bera, A. Betal, and S. Sahu, “Performance evaluation of an all inorganic CsGeI3 based perovskite solar cell by numerical simulation,” Opt. Mater. 123, 111839 (2022). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111839
A.J. Kale, R. Chaurasiya, and A. Dixit, “Inorganic Lead‐Free Cs2AuBiCl6 Perovskite Absorber and Cu2O Hole Transport Material Based Single‐Junction Solar Cells with 22.18% Power Conversion Efficiency,” Adv. Theory Simul. 4(3), 2000224 (2021). https://doi.org/10.1002/adts.202000224
Y. He, L. Xu, C. Yang, X. Guo, and S. Li, “Design and Numerical Investigation of a Lead-Free Inorganic Layered Double Perovskite Cs4CuSb2Cl12 Nanocrystal Solar Cell by SCAPS-1D,” Nanomaterials, 11(9), 2321 (2021). https://doi.org/10.3390/nano11092321
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
F. Azri, A. Meftah, N. Sengouga, and A. Meftah, “Electron and hole transport layers optimization by numerical simulation of a perovskite solar cell,” Sol. Energy, 181, 372–378 (2019). https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.02.017
S. Karthick, O.M. Nwakanma, B. Mercyrani, J. Bouclé, and S. Velumani, “Efficient 2T CsKPb(IBr)3 Tin Incorporated Narrow Bandgap Perovskite Tandem Solar Cells: A Numerical Study with Current Matching Conditions,” Adv. Theory Simul. 4(11), 2100121 (2021). https://doi.org/10.1002/adts.202100121
V.K. Ravi, et al., “Colloidal BaZrS 3 chalcogenide perovskite nanocrystals for thin film device fabrication,” Nanoscale, 13(3), 1616–1623 (2021). https://doi.org/10.1039/D0NR08078K
S. Karthick, J. Bouclé, and S. Velumani, “Effect of bismuth iodide (BiI3) interfacial layer with different HTL’s in FAPI based perovskite solar cell – SCAPS-1D study,” Sol. Energy, 218, 157–168 (2021). https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.02.041
K. Chakraborty, M.G. Choudhury, and S. Paul, “Numerical study of Cs2TiX6 (X = Br−, I−, F− and Cl−) based perovskite solar cell using SCAPS-1D device simulation,” Sol. Energy, 194, 886–892 (2019). https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.11.005
M.S. Jamal, et al., “Effect of defect density and energy level mismatch on the performance of perovskite solar cells by numerical simulation,” Optik, 182, 1204–1210 (2019). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2018.12.163
G. Xing, et al., “Low-temperature solution-processed wavelength-tunable perovskites for lasing,” Nat. Mater. 13(5), 5 (2014). https://doi.org/10.1038/nmat3911
F. Wang, S. Bai, W. Tress, A. Hagfeldt, and F. Gao, “Defects engineering for high-performance perovskite solar cells,” Npj Flex. Electron. 2(1), 22 (2018). https://doi.org/10.1038/s41528-018-0035-z
L. Et-taya, T. Ouslimane, and A. Benami, “Numerical analysis of earth-abundant Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 solar cells based on Spectroscopic Ellipsometry results by using SCAPS-1D,” Sol. Energy, 201, 827–835 (2020). https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.03.070
S. Abdelaziz, A. Zekry, A. Shaker, and M. Abouelatta, “Investigating the performance of formamidinium tin-based perovskite solar cell by SCAPS device simulation,” Opt. Mater. 101, 109738 (2020). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.109738
S. Mahesh, et al., “Revealing the origin of voltage loss in mixed-halide perovskite solar cells,” Energy Environ. Sci. 13(1), 258 267 (2020). https://doi.org/10.1039/C9EE02162K
W. Abdelaziz, A. Shaker, M. Abouelatta, and A. Zekry, “Possible efficiency boosting of non-fullerene acceptor solar cell using device simulation,” Opt. Mater. 91, 239–245 (2019). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.03.023
D. Ompong, and J. Singh, “High open-circuit voltage in perovskite solar cells: The role of hole transport layer,” Org. Electron. 63, 104–108 (2018). https://doi.org/10.1016/j.orgel.2018.09.006
W. Tress, et al., “Interpretation and evolution of open-circuit voltage, recombination, ideality factor and subgap defect states during reversible light-soaking and irreversible degradation of perovskite solar cells,” Energy Environ. Sci. 11(1), 151-165 (2018). https://doi.org/10.1039/C7EE02415K
H. Baig, H. Kanda, A.M. Asiri, M.K. Nazeeruddin, and T. Mallick, “Increasing efficiency of perovskite solar cells using low concentrating photovoltaic systems,” Sustain. Energy Fuels, 4(2), 528–537 (2020). https://doi.org/10.1039/C9SE00550A
A. Mahapatra, et al., “Changes in the Electrical Characteristics of Perovskite Solar Cells with Aging Time,” Molecules, 25(10), 2299 (2020). https://doi.org/10.3390/molecules25102299
M. Becker, and M. Wark, “Sequentially Deposited Compact and Pinhole-Free Perovskite Layers via Adjusting the Permittivity of the Conversion Solution,” Z. Für Naturforschung A, 74(8), 655–663 (2019). https://doi.org/10.1515/zna-2019-0141
Z. Bi, et al., “High Shunt Resistance SnO2‐PbO Electron Transport Layer for Perovskite Solar Cells Used in Low Lighting Applications,” Adv. Sustain. Syst. 5(11), 2100120 (2021). https://doi.org/10.1002/adsu.202100120
D. Saranin, et al., “Copper Iodide Interlayer for Improved Charge Extraction and Stability of Inverted Perovskite Solar Cells,” Materials, 12(9), 1406 (2019). https://doi.org/10.3390/ma12091406
R. Singh, S. Sandhu, and J.-J. Lee, “Elucidating the effect of shunt losses on the performance of mesoporous perovskite solar cells,” Sol. Energy, 193, 956–961 (2019). https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.10.018
M.A. Green, “General temperature dependence of solar cell performance and implications for device modelling,” Prog. Photovolt. Res. Appl. 11(5), 333–340 (2003). https://doi.org/10.1002/pip.496
Y.H. Khattak, F. Baig, S. Ullah, B. Marí, S. Beg, and H. Ullah, “Enhancement of the conversion efficiency of thin film kesterite solar cell,” J. Renew. Sustain. Energy, 10(3), 033501 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5023478
Авторське право (c) 2024 Абдулай М. Фейка, Мутеу А. Олопаде, Адеїнка Д. Адевоїн
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).
