Оксид графену та відновлений оксид графену як діркові транспортні шари для підвищення ефективності об’ємних гетеропереходних органічних сонячних елементів на основі фулерену : дослідження числового моделювання
Анотація
Останніми роками все більше досліджень зосереджено на покращенні ефективності об’ємних гетероперехідних органічних сонячних елементів (BHJOSC) на основі фулерену на основі метилового ефіру [6,6]-феніл-C61-масляної кислоти (PCBM) з використанням полі 3-гексилтіофен-2 ,5-дііл (P3HT) як донор і похідні графену як шар транспортування дірок (HTL). Похідні графену, головним чином оксид графену (GO) і відновлений оксид графену (RGO), мають такі ж виняткові характеристики, як і графен, і є хорошими кандидатами в якості HTL у BHJOSC на основі P3HT:PCBM. У цій роботі ми використовуємо симулятор одновимірної ємності сонячних елементів (SCAPS1D) для широкого та детального вивчення двох конфігурацій, а саме ITO/GO/P3HT:PCBM/Al та ITO/RGO/P3HT: PCBM/Al. Обидві конфігурації оптимізовані, а підвищена ефективність досягається зміною вхідних електричних параметрів пристрою. Після цього проектування, моделювання та аналіз різних комбінацій пристроїв виконуються з використанням дев’яти різних ETL і трьох металевих електродів. ITO/GO/P3HT:PCBM/LiF/Ca та ITO/RGO/P3HT:PCBM/LiF/Ca забезпечили підвищення ефективності на 8,00% і 12,00% відповідно. Потім вивчається вплив різної щільності донора фториду літію (LiF) і ефект змінної роботи виходу оксиду індію та олова (ITO) на продуктивність цих двох пристроїв. Рекордна ефективність 16,47% досягнута для підвищеної щільності донора LiF у конфігурації ITO/RGO/P3HT:PCBM/LiF/Ca.
Завантаження
Посилання
H. Kang, et al., Adv. Mater. 28, 7821 (2016). https://doi.org/10.1002/adma.201601197
G. Yu, J. Gao, J.C. Hummelen, F. Wudl, and A.J. Heeger, Science, 270, 1789 (1995). https://doi.org/10.1126/science.270.5243.1789
T. Fukuda, et al., Phys. Status Solidi - Rapid Res. Lett. 5, 229 (2011). https://doi.org/10.1002/pssr.201105232
L. Lu, et al., Chem. Rev. 115, 12666 (2015). https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00098
B. Kadem, A. Hassan, and W.J. Cranton, J. Mater. Sci. Mater. Electron. 27, 7038 (2016). https://doi.org/10.1007/s10854-016-4661-8
S. Bichave, et al., Materials Today: Proceedings, (2023). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.01.190
H. Xu, et al., J. Mater. Chem. A, 8, 11478 (2020). https://doi.org/10.1039/D0TA03511D
S. Park, et al., Adv. Mater. 32, 1 (2020).
A.M. Mir, F. Bashir, F.A. Khanday, F. Zahoor, M. Hanif, and Z. May, IEEE Access, 12, 10961 (2024). https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3354163
I. Masood, M.P. Singh, and M. Amir, "Analysis of Different Layers Thicknesses on the Performance of Organic Solar Cells," in: 2023 International Conference on Power, Instrumentation, Energy and Control (PIECON), (Aligarh, 2023). pp. 1-5.
M. Palewicz, A. Sikora, T. Piasecki, E. Gacka, P. Nitschke, P. Gnida, B. Jarząbek, and T. Gotszalk, Energies, 16, 4741 (2023). https://doi.org/10.3390/en16124741
D. Davis, M.S. Shamna, K.S. Nithya, and K.S. Sudheer, "Graphene as a hole transport layer for enhanced performance of P3HT:PCBM bulk heterojunction organic solar cell: a numerical simulation study," in: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 1248, (Jalandhar, Punjab, 2022), pp. 012011.
G.R. Nishad, R.B. Younus, and P. Singh, "Applications of PEDOT: PSS in Solar Cells," in: Materials for Solar Cell Technologies, II 103, 40 (2021), pp 40-76. https://doi.org/10.21741/9781644901410-3
K.S. Ram, et al., Nanomater. 11, 209 (2021). https://doi.org/10.3390/nano11010209
J. Healey, Conductive polymer films as electrodes in organic solar cells, (Memorial University of Newfoundland, 2020).
D. Ompong, Designing thin film solar cells for optimum photovoltaic performance, (Charles Darwin University, Australia, 2017).
F. Hakim, and M.K. Alam, "Improvement of photo-current density of P3HT: PCBM bulk heterojunction organic solar cell using periodic nanostructures," in: 2017 International Conference on Electrical, Computer and Communication Engineering (ECCE), (IEEE, 2017), pp. 170-174.
F. Hakim, and Md.K. Alam, Sol. Energy, 191, 300 (2019). https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.08.073
H.M. Rad, F. Zhu, and J. Singh, J. Appl. Phys. 124, 083103 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5031062
Q. Zheng, et al., Sol. energy mater. sol. cells, 95, 2200 (2011). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.03.024
J. Cameron, and P.J. Skabara, Mater. Horiz. 7, 1759 (2020). https://doi.org/10.1039/C9MH01978B
M.A. Velasco-Soto, et al., Carbon, 93, 967 (2015). https://doi.org/10.1016/j.carbon.2015.06.013
A. Iwan, and A. Chuchmała, Prog. Polym. Sci. 37, 1805 (2012). https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2012.08.001
Y. Zhu, et al., Adv. Mater. 22, 3906 (2010). https://doi.org/10.1002/adma.201001068
R. Tarcan, et al., J. Mater. Chem. C, 8, 1198 (2020). https://doi.org/10.1039/C9TC04916A
N.O. Weiss, et al., Adv. Mater. 24, 5782 (2012). https://doi.org/10.1002/adma.201201482
K.I. Bolotin, et al., Solid State Commun. 146, 351 (2008). https://doi.org/10.1016/j.ssc.2008.02.024
K.I. Bolotin, "Electronic transport in graphene: Towards high mobility," in: Graphene, (Woodhead Publishing, 2014), pp. 199 227.
X. Xu, et al., Chem. Soc. Rev. 47, 3059 (2018). https://doi.org/10.1039/C7CS00836H
M. Raji, N. Zari, Q.A. El Kacem, and R. Bouhfid, Functionalized graphene nanocomposites and their derivatives, (Elsevier, 2019).
E. Singh, and H.S. Nalwa, RSC Adv. 5, 73575 (2015). https://doi.org/10.1039/C5RA11771B
B.V.R.S. Subramanyam, et al., J. Renew. Sustain. Energy, 12, 054701 (2020). https://doi.org/10.1063/5.0021208
J. Liu, et al., Adv. Mater. 26, 786 (2014). https://dx.doi.org/10.1002/adma.201302987
N.T. Ho, et al., Phys. Status Solidi Appl. Mater. Sci. 211, 1873 (2014). https://doi.org/10.1002/pssa.201330611
A. Van Dijken, et al., Organic Electronics, 4, 131 (2003). https://doi.org/10.1016/j.orgel.2003.08.007
J.M. Yun, et al., Adv. Mater. 23, 4923 (2011). https://doi.org/10.1002/adma.201102207
Y. Gao, et al., Appl. Phys. Lett. 97, 203306 (2010). https://doi.org/10.1063/1.3507388
A. Ali, et al., Curr. Appl. Phys. 18, 599 (2018). https://doi.org/10.1016/j.cap.2018.02.016
T.A. Amollo, G.T. Mola, and V.O. Nyamori, Sol. Energy, 171, 83 (2018): https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.06.068
H.P. Kim, A.R.M. Yusoff, and J. Jang, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 110, 87 (2013).
N.M.S. Hidayah, et al., AIP Conf. Proc. 1892, 150002 (2017). https://doi.org/10.1063/1.5005764
Y.-J. Jeon, et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 105, 96 (2012). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2012.05.024
A. Negash, A.M. Demeku, and L.H. Molloro, New J. Chem. 46, 13001 (2022). https://doi.org/10.1039/D2NJ01974D
Xu Xiang, et al., Carbon Letters, 32, 557 (2022). https://doi.org/10.1007/s42823-021-00287-6
T. Tene, et al., Front. Chem. 11, (2023). https://doi.org/10.3389/fchem.2023.1267199
Y. Wang, et al., Mater. Today, 21, 186 (2018). https://doi.org/10.1016/j.mattod.2017.10.008
S.S. Li, K.H. Tu, C.C. Lin, C.W. Chen, and M. Chhowalla, ACS Nano, 4, 3169 (2010). https://doi.org/10.1021/nn100551j
J. Liu, et al., Adv. Mater. 26, 786 (2014). https://doi.org/10.1002/adma.201302987
D.D. Nguyen, et al., Nanotechnology, 22, 295606 (2011). https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/29/295606
Z. Fakharan, L. Naji, and K. Madanipour, Org. Electron. 76, 105459 (2020). https://doi.org/10.1016/j.orgel.2019.105459
J.H. Lee, et al., Org. Electron. 30, 302 (2016). https://doi.org/10.1016/j.orgel.2016.01.003
H. Park, P.R. Brown, V. Bulović, and J. Kong, Nano Lett. 12, 133 (2012). https://doi.org/10.1021/nl2029859
G.A. Chamberlain, Sol. Cells, 8, 47 (1983). https://doi.org/10.1016/0379-6787(83)90039-X
M. Akbi, "A method for measuring the photoelectric work function of contact materials versus temperature," in: IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 4(8), (2014), pp. 1293-1302. https://doi.org/10.1109/TCPMT.2014.2328661
M. Burgelman, K. Decock, A. Niemegeers, J. Verschraegen, and S. Degrave, SCAPS manual, (University of Gent, 2023).
S.B. Hacène, T. Benouaz, and T. Benouaz, Phys. Status Solidi (a), 211, 862 (2014). https://doi.org/10.1002/pssa.201330320
B.M. Omer, "Influence of characteristic energy of the valence band tail on performance of P3HT:PCBM bulk-heterojunction solar cell: AMPS-1D simulation study," in: 2014 IEEE 40th Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), (IEEE, 2014), pp. 1770 1775.
E.K. Chiew, M. Yahaya, and A. P. Othman, International Journal of Computational Materials Science and Engineering, 01(01), 1250004 (2012). https://doi.org/10.1142/S2047684112500042
G.A. Nowsherwan, et al., Nanomater. 12, 1767 (2022). https://doi.org/10.3390/nano12101767
A.S. Khune, et al., J. Electron. Mater. 52, 8108 (2023). https://doi.org/10.1007/s11664-023-10711-4
L. Sygellou, et al., J. Phys. Chem. C, 120, 281 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b09234
C. Yuwen, et al., Mater. Res. Express, 6, 0950b4 (2019). https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab149f
A. Daraie, and A. Fattah, Opt. Mater. 109, 110254 (2020). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110254
W. Abdelaziz, et al., Sol. Energy, 211, 375 (2020). https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.09.068
W. Abdelaziz, et al., Opt. Mater. 91, 239 (2019). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.03.023
M.Q. Khokhar, et al., Mater. Sci. Semicond. Process. 134, 105982 (2021). https://doi.org/10.1016/j.mssp.2021.105982
S.-F. Wang, et al., J. Phys. Chem. C, 116, 1650 (2012). https://doi.org/10.1021/jp2045146
M.Q. Khokhar, et al., Energies, 13, 1635 (2020). https://doi.org/10.3390/en13071635
Jacob, Mohan V. Science and Technology of Advanced Materials 6 (2005): 944-949.
H. Niu, et al., Dalton Transactions, 50, 6477 (2021). https://doi.org/10.1039/D1DT00344E
V. Srikant, and D.R. Clarke, J. Appl. Phys. 83, 5447 (1998). https://doi.org/10.1063/1.367375
B. Hussain, et al., Electronics, 8(2), 238 (2019). https://doi.org/10.3390/electronics8020238
A. Umar, et al., Micromachines, 13(12), 2073 (2022). https://doi.org/10.3390/mi13122073
K.S. Nithya, and K.S. Sudheer, Opt. Mater. 123, 111912 (2022). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111912
M. Dadashbeik, D. Fathi, and M. Eskandari, Sol. Energy, 207, 917 (2020). https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.06.102
M.M. Shabat, G. Zoppi, "Simulation on the perovskite-based solar cell with graphene derivative," in: The 8th International Engineering Conference on Renewable Energy & Sustainability, (Gaza, Palestine, 2023).
Авторське право (c) 2025 Денет Девіс, К.С. Судхір
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).
