SCAPS-1D аналіз нетоксичних безсвинцевих сонячних елементів на основі перовскіту MASnI3 з використанням неорганічних шарів транспорту заряду

  • Меттью І. Амані Кафедра фізики, Федеральний університет наук про здоров'я, Отукпо, штат Бенуе, Нігерія
  • Абубакар С. Юсуф Кафедра фізики, Федеральний технологічний університет, Мінна, штат Нігер, Нігерія
  • Егвубаре Акпогума Центр ядерних технологій, Комісія з атомної енергії Нігерії, Абуджа, Нігерія
  • Стівен О. Егаге Кафедра фізики, Університет Бінгема, штат Насарава, Нігерія
  • Джеймс Енейе Кафедра фізики, Університет Бінгема, штат Насарава, Нігерія
  • Раймонд М. Агаку Кафедра фізики, Університет штату Бенуе, штат Бенуе, Нігерія
  • Ліліан С. Ечебірі Кафедра фізики, Державний університет Насарава, штат Насарава, Нігерія
  • Еммануель У. Ечебірі Відділ електротехніки/електронної інженерії Нільського університету Нігерії
  • Еммануель О. Аме Кафедра фізики, Державний університет Насарава, штат Насарава, Нігерія
  • Чіньєре I. Ерірогу Факультет фізики, Університет Нігерії Ннсукка, штат Енугу, Нігерія
  • Ніколас Н. Тасі Факультет фізики, Університет штату Ріверс, Порт-Гаркорт, штат Ріверс, Нігерія
  • Ентоні С. Озурумба Африканський центр передового досвіду в галузі енергетики майбутнього та електрохімічних систем, Федеральний технологічний університет, Оверрі, штат Імо, Нігерія
  • Елі Данладі Кафедра фізики, Федеральний університет наук про здоров'я, Отукпо, штат Бенуе, Нігерія https://orcid.org/0000-0001-5109-4690
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-3-54
Ключові слова: перовскітний сонячний елемент, SCAPS-1D, CH3NH3SnI3, фотоелектричний

Анотація

Перовскітні сонячні батареї (PSC) привернули велику увагу завдяки своїй високій ефективності та низькій вартості. У цій дослідницькій роботі сонячний елемент на основі йодиду метиламонію олова (CH3NH3SnI3) моделювався за допомогою інструменту моделювання одновимірної ємності сонячного елемента (SCAPS-1D). Інструмент SCAPS-1D заснований на рівняннях Пуассона та напівпровідників. Після ретельного дослідження початковий пристрій має наступні параметри; Ефективність перетворення потужності (PCE) = 15,315%, коефіцієнт заповнення (FF) = 64,580%, щільність струму (Jsc) = 29,152 мА/см2 і напруга холостого ходу (Voc) = 0,813 В. Досліджено вплив товщини абсорбера та ETL систематично. На продуктивність змодельованого пристрою суттєво вплинула товщина абсорбера та ETL. Оптимізована товщина поглинача становила 0,5 мкм, а товщина ETL становила 0,02 мкм, що призвело до оптимізованого PCE 15,411%, FF 63,525%, Jsc 29,812 мА/см2 і Voc 0,814 В. Крім того, вплив температури на оптимізований пристрій було оцінено та виявлено, що це впливає на продуктивність пристрою. Ця модель показує перспективу CH3NH3SnI3 як перовскітного матеріалу для виробництва нетоксичних екологічно чистих сонячних елементів з високою ефективністю.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, and T. Miyasaka, “Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells,” J. Am. Chem. Soc. 131(17), 6050–6051 (2009). https://doi.org/10.1021/ja809598r

E. Danladi, et al., “Defect and doping concentration study with series and shunt resistance influence on graphene modified perovskite solar cell: A numerical investigation in SCAPS-1D framework,” Journal of the Indian Chemical Society, 100(5), 101001 (2023). https://doi.org/10.1016/j.jics.2023.101001

E. Danladi et al., “Broad-band-enhanced and minimal hysteresis perovskite solar cells with interfacial coating of biogenic plasmonic light trapping silver nanoparticles,” Materials Research Innovations, 27(7), 521–536 (2023). https://doi.org/10.1080/14328917.2023.2204585

Z. Qu, F. Ma, Y. Zhao, X. Chu, S. Yu, and J. You, “Updated Progresses in Perovskite Solar Cells,” Chinese Phys. Lett. 38(10), 107801 (2021). https://doi.org/10.1088/0256-307X/38/10/107801

M.K. Hossain, et al., “Numerical simulation and optimization of a CsPbI3-based perovskite solar cell to enhance the power conversion efficiency,” New J. Chem. 47(10), 4801–4817 (2023). https://doi.org/10.1039/D2NJ06206B

M.K. Hossain, et al., “Deep Insights into the Coupled Optoelectronic and Photovoltaic Analysis of Lead-Free CsSnI3 Perovskite-Based Solar Cell Using DFT Calculations and SCAPS-1D Simulations,” ACS Omega, 8(25), 22466–22485 (2023). https://doi.org/10.1021/acsomega.3c00306

S.D. Stranks, and H. J. Snaith, “Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices,” Nature Nanotech. 10(5), 391–402 (2015). https://doi.org/10.1038/nnano.2015.90

Md.R. Islam, A.A.M. Mazumder, Md.R.H. Mojumder, A.S.M.Z. Shifat, and M.K. Hossain, “Strain-induced tunable optoelectronic properties of inorganic halide perovskites APbCl3 (A = K, Rb, and Cs),” Jpn. J. Appl. Phys. 62(1), 011002 (2023). https://doi.org/10.35848/1347-4065/acb09e

A. Thakur, D. Singh, and S.K. Gill, “Numerical simulations of 26.11% efficient planar CH3NH3PbI3 perovskite n-i-p solar cell,” Materials Today: Proceedings, 71, 195–201 (2022). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.08.423

H. Bencherif, et al., “Performance enhancement of (FAPbI3)1-x(MAPbBr3)x perovskite solar cell with an optimized design,” Micro and Nanostructures, 171, 207403 (2022). https://doi.org/10.1016/j.micrna.2022.207403

H. Bencherif, and M.K. Hossain, “Design and numerical investigation of efficient (FAPbI3)1−x(CsSnI3)x perovskite solar cell with optimized performances,” Solar Energy, 248, 137–148 (2022). https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.11.012

Y. Zhou, and K. Zhu, “Perovskite Solar Cells Shine in the ‘Valley of the Sun,’” ACS Energy Lett. 1(1), 64–67 (2016). https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6b00069

B.V. Lotsch, “New Light on an Old Story: Perovskites Go Solar,” Angew Chem. Int. Ed. 53(3), 635–637 (2014). https://doi.org/10.1002/anie.201309368

H. Sabbah, “Numerical Simulation of 30% Efficient Lead-Free Perovskite CsSnGeI3-Based Solar Cells,” Materials, 15(9), 3229 (2022). https://doi.org/10.3390/ma15093229

E. Danladi, A.O. Salawu, M.O. Abdulmalik, E.D. Onoja, E.E. Onwoke, and D.S. Adepehin, “Optimization of Absorber and ETM Layer Thickness for Enhanced Tin based Perovskite Solar Cell Performance using SCAPS-1D Software,” PA, 02(01), 1–11 (2022). https://doi.org/10.47514/phyaccess.2022.2.1.001

E. Danladi, M. Kashif, A. Ichoja, and B. B. Ayiya, “Modeling of a Sn-Based HTM-Free Perovskite Solar Cell Using a One-Dimensional Solar Cell Capacitance Simulator Tool,” Trans. Tianjin Univ. 29(1), 62–72 (2023). https://doi.org/10.1007/s12209-022-00343-w

W. Shockley, and H.J. Queisser, “Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells,” Journal of Applied Physics, 32(3), 510–519 (1961). https://doi.org/10.1063/1.1736034

D. Jalalian, A. Ghadimi, and A. Kiani, “Modeling of a high performance bandgap graded Pb-free HTM-free perovskite solar cell,” Eur. Phys. J. Appl. Phys. 87(1), 10101 (2019). https://doi.org/10.1051/epjap/2019190095

M.K. Hossain, et al., “An extensive study on multiple ETL and HTL layers to design and simulation of high-performance lead-free CsSnCl3-based perovskite solar cells,” Sci. Rep. 13(1), 2521 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28506-2

M.K. Hossain, et al., “Numerical Analysis in DFT and SCAPS-1D on the Influence of Different Charge Transport Layers of CsPbBr3 Perovskite Solar Cells,” Energy Fuels, 37(8), 6078–6098 (2023). https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.3c00035

J. Chen, and N.-G. Park, “Inorganic Hole Transporting Materials for Stable and High Efficiency Perovskite Solar Cells,” J. Phys. Chem. C, 122(25), 14039–14063 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b01177

E. Danladi, et al., “Highly efficient, hole transport layer (HTL)-free perovskite solar cell based on lithium-doped electron transport layer by device simulation,” Emergent Mater. 6(6), 1779–1795 (2023). https://doi.org/10.1007/s42247-023-00558-0

M.K.A. Mohammed, “High-performance hole conductor-free perovskite solar cell using a carbon nanotube counter electrode,” RSC Adv. 10(59), 35831–35839 (2020). https://doi.org/10.1039/D0RA05975G

N. Fakhri, M.S. Naderi, S.G. Farkoush, S.S. Nahaei, S.-N. Park, and S.-B. Rhee, “Simulation of Perovskite Solar Cells Optimized by the Inverse Planar Method in SILVACO: 3D Electrical and Optical Models,” Energies, 14(18), 5944 (2021). https://doi.org/10.3390/en14185944

S. Zandi, P. Saxena, and N.E. Gorji, “Numerical simulation of heat distribution in RGO-contacted perovskite solar cells using COMSOL,” Solar Energy, 197, 105–110 (2020). https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.12.050

M.K. Hossain, M.H.K. Rubel, G.F.I. Toki, I. Alam, Md.F. Rahman, and H. Bencherif, “Effect of Various Electron and Hole Transport Layers on the Performance of CsPbI 3 -Based Perovskite Solar Cells: A Numerical Investigation in DFT, SCAPS-1D, and wxAMPS Frameworks,” ACS Omega, 7(47), 43210–43230 (2022). https://doi.org/10.1021/acsomega.2c05912

E. Danladi, et al., “Modeling and simulation of > 19% highly efficient PbS colloidal quantum dot solar cell: A step towards unleashing the prospect of quantum dot absorber,” Optik, 291, 171325 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2023.171325

P.K. Jha, et al., “Study of Eco-Friendly Organic–Inorganic Heterostructure CH3NH3SnI3 Perovskite Solar Cell via SCAPS Simulation,” J. Electron. Mater. 52(7), 4321–4329 (2023). https://doi.org/10.1007/s11664-023-10267-3

K. Nishimura, et al., “Lead-free tin-halide perovskite solar cells with 13% efficiency,” Nano Energy, 74, 104858 (2020). https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104858

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

Guo, et al., “Effects of Transition Metal Substituents on Interfacial and Electronic Structure of CH3NH3PbI3/TiO2 Interface: A First-Principles Comparative Study,” Nanomaterials, 9(7), 966 (2019). https://doi.org/10.3390/nano9070966

N.J. Valeti, K. Prakash, and M.K. Singha, “Numerical simulation and optimization of lead free CH3NH3SnI3 perovskite solar cell with CuSbS2 as HTL using SCAPS 1D,” Results in Optics, 12, 100440 (2023). https://doi.org/10.1016/j.rio.2023.100440

M. Liu, M.B. Johnston, and H.J. Snaith, “Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition,” Nature, 501(7467), 395–398 (2013). https://doi.org/10.1038/nature12509

O.A. Muhammed, E. Danladi, P.H. Boduku, J. Tasiu, M.S. Ahmad, and N. Usman, “Modeling and Simulation of Lead-Free Perovskite Solar Cell Using SCAPS-1D,” EEJP, (2), 146-154 (2021). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2021-2-12

N.F. Mott, and E.A. Davis, Electronic processes in non-crystalline materials, 2nd ed. in International series of monographs on physics, (Clarendon Press, Oxford, 2012).

I. Qasim, et al., “Numerical optimization of (FTO/ZnO/CdS/CH3NH3SnI3/GaAs/Au) perovskite solar cell using solar capacitance simulator with efficiency above 23% predicted,” Opt. Quant. Electron. 53(12), 713 (2021). https://doi.org/10.1007/s11082-021-03361-5

S. Ahmed, F. Jannat, Md.A.K. Khan, and M.A. Alim, “Numerical development of eco-friendly Cs2TiBr6 based perovskite solar cell with all-inorganic charge transport materials via SCAPS-1D,” Optik, 225, 165765 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165765

Опубліковано
2024-09-02
Цитовано
Як цитувати
Амані, М. І., Юсуф, А. С., Акпогума, Е., Егаге, С. О., Енейе, Д., Агаку, Р. М., Ечебірі, Л. С., Ечебірі, Е. У., Аме, Е. О., ЕрірогуЧ. I., Тасі, Н. Н., Озурумба, Е. С., & Данладі, Е. (2024). SCAPS-1D аналіз нетоксичних безсвинцевих сонячних елементів на основі перовскіту MASnI3 з використанням неорганічних шарів транспорту заряду. Східно-європейський фізичний журнал, (3), 447-455. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-3-54
Номер
№ 3 (2024): Східно-європейський фізичний журнал
Розділ
Статті

Авторське право (c) 2024 Меттью І. Амані, Абубакар С. Юсуф, Егвубаре Акпогума, Стівен О. Егаге, Джеймс Енейе, Раймонд М. Агаку, Ліліан С. Ечебірі, Еммануель У. Ечебірі, Еммануель О. Аме, Чіньєре І. Ерірогу, Ніколас Н. Тасі, Ентоні С. Озурумба, Елі Данладі

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)