Числове моделювання дослідження функціональності перовскітного сонячного елемента на основі FASnI3 у звичайній, та інвертованій конфігураціях з використанням сумісного Zn(O0.3S0.7) як шару електронного транспорту
Анотація
Йодид формамідинію олова є перспективним кандидатом на роль поглинального шару в перовскітних сонячних елементах завдяки регульованій ширині забороненої зони, високому коефіцієнту поглинання та добрій термічній стабільності. Вибір відповідних шарів переносу заряду з належним зміщенням зони може ефективно зменшити рекомбінацію на межі розділу та підвищити продуктивність сонячного елемента. Дослідження зосереджено на підвищенні продуктивності перовскітного сонячного елемента, в якому йодид формамідинію олова (FASnI3) є поглинальним шаром, Zn(O0.3S0.7) - ETL, а Spiro-OMeTAD - HTL, за допомогою числового моделювання. Ці матеріали шару переносу заряду вибрані на основі їх адекватного вирівнювання енергетичної зони з поглиначем. Структура скляна підложка/FTO/Zn(O0.3S0.7)(ETL)/FASnI3/Spiro-OMeTAD(HTL)/Au, яка є недослідженою комбінацією в n-i-p архітектурі, була змодельована за допомогою SCAPS-1D, та проведена оптимізація параметрів комірки – товщини поглинача, концентрації легування поглинача, щільності дефектів поглинача, товщини ETL, щільності дефектів ETL, товщини HTL та щільності дефектів HTL. Також проаналізовано зміну параметрів роботи комірки залежно від щільності дефектів на межі розділу та температури. Завдяки цій оптимізації комірка забезпечує напругу холостого ходу (Voc) = 1,0145 В, щільність струму короткого замикання (Jsc) = 37,82 мА см-2, коефіцієнт заповнення (FF) = 83,31% та коефіцієнт перетворення енергії (PCE) = 31,97%. Оптимізовані параметри використовуються для моделювання інвертованої p-i-n архітектури, а вихідна напруга елемента така: Voc = 1,0919 В, Jsc = 37,293 мА см-2, FF = 83,01% та ККД перетворення енергії (PCE) = 33,8%.
Завантаження
Посилання
S. Imani, S.M. Seyed-Talebi, J. Beheshtian, E.W.G. Diau, “Simulation and characterization of CH3NH3SnI3-based perovskite solar cells with different Cu-based hole transporting layers,” Applied Physics A, 129, 143 (2023). https://doi.org/10.1007/s00339-023-06428-0
T. Wu, Z. Qin, Y. Wang, Y. Wu, W. Chen, S. Zhang, M. Cai, et al., “The Main Progress of Perovskite Solar Cells in 2020–2021,” Nanomicro Lett. 13, (2021). https://doi.org/10.1007/s40820-021-00672-w
J.Y. Kim, J.W. Lee, H.S. Jung, H. Shin, and N.G. Park, “High-Efficiency Perovskite Solar Cells,” Chem. Rev. 120, 7867–7918 (2020). https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00107
M. Ismail, M. Noman, S. Tariq Jan, and M. Imran, “Boosting efficiency of eco-friendly perovskite solar cell through optimization of novel charge transport layers,” R. Soc. Open. Sci. 10, (2023). https://doi.org/10.1098/rsos.230331
L. Lin, L. Jiang, P. Li, B. Fan, Y. Qiu, and F. Yan, “Simulation of optimum band structure of HTM-free perovskite solar cells based on ZnO electron transporting layer,” Mater. Sci. Semicond. Process. (2019). https://doi.org/10.1016/j.mssp.2018.10.003
M.V. Kavitha, C.K. Anjali, and K.S. Sudheer, “Device simulation and optimization of HTL-free perovskite solar cell with CH3NH3SnBr3 as the absorber layer using solar cell capacitance simulator software,” Journal of Ovonic Research, 20, 245–254 (2024). https://doi.org/10.15251/JOR.2024.202.245
X. Meng, T. Wu, X. Liu, X. He, T. Noda, Y. Wang, H. Segawa, and L. Han, “Highly Reproducible and Efficient FASnI3 Perovskite Solar Cells Fabricated with Volatilizable Reducing Solvent,” J. Phys. Chem. Lett. 11, 2965–2971 (2020). https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c00923
S. Abdelaziz, A. Zekry, A. Shaker, M. Abouelatta, Investigating the performance of formamidinium tin-based perovskite solar cell by SCAPS device simulation, Opt Mater (Amst) 101 (2020). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.109738
S. Galve-Lahoz, J. Sánchez-Diaz, C. Echeverría-Arrondo, J. Simancas, J. Rodriguez-Pereira, S.-H. Turren-Cruz, J.P. Martinez-Pastor, et al., “Addressing ambient stability challenges in pure FASnI 3 perovskite solar cells through organic additive engineering,” J. Mater. Chem. A Mater. 12, 21933–21943 (2024). https://doi.org/10.1039/D4TA03291H
Md.A. Karim, K. Matsuishi, Md.E. Kayesh, Y. He, and A. Islam, “Inhibition of Sn 2+ Oxidation in FASnI 3 Perovskite Precursor Solution and Enhanced Stability of Perovskite Solar Cells by Reductive Additive,” ACS Appl. Mater. Interfaces. 15, 45823 45833 (2023). https://doi.org/10.1021/acsami.3c07903
Z. Chen, and T.P. Dhakal, “Room temperature synthesis of lead-free FASnI3 perovskite nanocrystals with improved stability by SnF2 additive,” Appl. Phys. Rev. 10, (2023). https://doi.org/10.1063/5.0125100
T. Wu, X. Liu, X. Luo, H. Segawa, G. Tong, Y. Zhang, L.K. Ono, et al., “Heterogeneous FASnI3 Absorber with Enhanced Electric Field for High-Performance Lead-Free Perovskite Solar Cells,” Nanomicro Lett. 14, 99 (2022). https://doi.org/10.1007/s40820-022-00842-4
S.Z. Haider, H. Anwar, and M. Wang, “A comprehensive device modelling of perovskite solar cell with inorganic copper iodide as hole transport material,” Semicond. Sci. Technol. 33, (2018). https://doi.org/10.1088/1361-6641/aaa596
H. Sabbah, J. Arayro, and R. Mezher, “Numerical Simulation and Optimization of Highly Stable and Efficient Lead-Free Perovskite FA1−xCsxSnI3-Based Solar Cells Using SCAPS,” Materials, 15, 4761 (2022). https://doi.org/10.3390/ma15144761
T.J. Macdonald, L. Lanzetta, X. Liang, D. Ding, and S.A. Haque, “Engineering Stable Lead‐Free Tin Halide Perovskite Solar Cells: Lessons from Materials Chemistry,” Advanced Materials, 35, (2023). https://doi.org/10.1002/adma.202206684
A. Tara, V. Bharti, S. Sharma, and R. Gupta, “Device simulation of FASnI3 based perovskite solar cell with Zn(O0.3, S0.7) as electron transport layer using SCAPS-1D,” Opt. Mater. (Amst). 119, 111362 (2021). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111362
S. Mattaparthi, D.K. Sinha, A. Bhura, and R. Khosla, “Design of an eco-friendly perovskite Au/NiO/FASnI3/ZnO0.25S0.75/FTO, device structure for solar cell applications using SCAPS-1D,” Results in Optics, 12, 100444 (2023). https://doi.org/10.1016/j.rio.2023.100444
L. Nakka, Y. Cheng, A.G. Aberle, and F. Lin, “Analytical Review of Spiro‐OMeTAD Hole Transport Materials: Paths Toward Stable and Efficient Perovskite Solar Cells,” Advanced Energy and Sustainability Research, 3, (2022). https://doi.org/10.1002/aesr.202200045
S.N. Vijayaraghavan, K. Khawaja, J. Wall, W. Xiang, and F. Yan, “Photo-accelerated oxidation of spiro-OMeTAD for efficient carbon-based perovskite solar cells,” Energy Advances, 3, 1054–1061 (2024). https://doi.org/10.1039/D4YA00029C
M.V. Kavitha, and K. Sudheer Sebastian, “Device modelling and performance enhancement of FASnI3-based perovskite solar cell with diverse, compatible charge transport layers,” Results in Optics, 18, 100783 (2025). https://doi.org/10.1016/j.rio.2025.100783
T.M. Koh, T. Krishnamoorthy, N. Yantara, C. Shi, W.L. Leong, P.P. Boix, A.C. Grimsdale, et al., “Formamidinium tin-based perovskite with low Eg for photovoltaic applications,” J. Mater. Chem. A Mater. 3, 14996–15000 (2015). https://doi.org/10.1039/c5ta00190k
M. Kumar, A. Raj, A. Kumar, and A. Anshul, “An optimized lead-free formamidinium Sn-based perovskite solar cell design for high power conversion efficiency by SCAPS simulation,” Opt. Mater. (Amst). 108, (2020). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110213
A. Tara, V. Bharti, S. Sharma, and R. Gupta, “Device simulation of FASnI3 based perovskite solar cell with Zn(O0.3, S0.7) as electron transport layer using SCAPS-1D,” Opt. Mater. (Amst). 119, (2021). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111362
L.K. Ono, S. (Frank) Liu, and Y. Qi, “Reducing Detrimental Defects for High‐Performance Metal Halide Perovskite Solar Cells,” Angewandte Chemie International Edition, 59, 6676–6698 (2020). https://doi.org/10.1002/anie.201905521
J. Siekmann, S. Ravishankar, and T. Kirchartz, “Apparent Defect Densities in Halide Perovskite Thin Films and Single Crystals,” ACS Energy Lett. 6, 3244–3251 (2021). https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c01449
M.K. Hossain, G.F.I. Toki, A. Kuddus, M.K.A. Mohammed, R. Pandey, J. Madan, S. Bhattarai, et al., “Optimization of the architecture of lead-free CsSnCl3-perovskite solar cells for enhancement of efficiency: A combination of SCAPS-1D and wxAMPS study,” Mater. Chem. Phys. 308, 128281 (2023). https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2023.128281
E. Danladi, A.C. Egbugha, R.C. Obasi, N.N. Tasie, C.U. Achem, I.S. Haruna, and L.O. Ezeh, “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, 101001 (2023). https://doi.org/10.1016/j.jics.2023.101001
Kavitha M.V., S. Sebastian K., “A numerical study to enhance the performance of FASnI 3 -based HTL-free inverted perovskite solar cell with compatible electron transport layers,” Phys. Scr. 100, 075931 (2025). https://doi.org/10.1088/1402-4896/addf1a
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, 43210–43230 (2022). https://doi.org/10.1021/acsomega.2c05912
A. Ahmed, K. Riaz, H. Mehmood, T. Tauqeer, and Z. Ahmad, “Performance optimization of CH3NH3Pb(I1-xBrx)3 based perovskite solar cells by comparing different ETL materials through conduction band offset engineering,” Opt. Mater. (Amst). 105, 109897 (2020). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.109897
K. Hongsith, V. Yarangsi, S. Sucharitakul, S. Phadungdhitidhada, A. Ngamjarurojana, and S. Choopun, “A Multi-Electron Transporting Layer for Efficient Perovskite Solar Cells,” Coatings, 11, 1020 (2021). https://doi.org/10.3390/coatings11091020
A.K. Singh, R. Walia, M.S. Chauhan, R.S. Singh, and V.K. Singh, “Performance analysis of n-TiO2/p-Cu2O, n-TiO2/p-WS2/p-Cu2O, and n-TiO2/p-WS2 heterojunction solar cells through numerical modelling,” Environmental Science and Pollution Research, 30, 98718–98731 (2022). https://doi.org/10.1007/s11356-022-24236-6
A.S. Yusuf, A.M. Ramalan, A.A. Abubakar, and I.K. Mohammed, “Effect of Electron Transport Layers, Interface Defect Density and Working Temperature on Perovskite Solar Cells Using SCAPS 1-D Software,” East European Journal of Physics, (1), 332 341 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-1-31
K.S. Nithya, and K.S. Sudheer, “Numerical modelling of non-fullerene organic solar cell with high dielectric constant ITIC-OE acceptor,” J. Phys. Commun. 4, 025012 (2020). https://doi.org/10.1088/2399-6528/ab772a
Y. Gan, X. Bi, Y. Liu, B. Qin, Q. Li, Q. Jiang, and P. Mo, “Numerical Investigation Energy Conversion Performance of Tin-Based Perovskite Solar Cells Using Cell Capacitance Simulator,” Energies, (Basel), 13, 5907 (2020). https://doi.org/10.3390/en13225907
Авторське право (c) 2026 Кавіта М.В., Судхір Себастьян К.
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).
