CC BY
11
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ ВНУТРИ СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ
Шамин А.А. ©
Аспирант, кафедра «нано- и микроэлектроника», Пензенский государственный университет
Аннотация
Предложенная в данной статье методика расчета позволяет проводить комплексный анализ производительности солнечных элементов и допускает дальнейшее развитие численных методов для проектирования и оптимизации любых типов солнечных элементов третьего поколения (ячейки Гретцеля и солнченые элементы на основе перовскита)
Ключевые слова: СКСЭ, ГОНП, солнечные элементы, энергоэффективность, ячейки Гретцеля, фотонапряжение, время жизни электрона, диоксид титана, прозрачные проводящие покрытия, вольт-амперные характеристики
Keywords: dye-sensitized, perovskite, solar cells, efficiency, Gratzel cells, photovoltage, the electron lifetime, titanium dioxide, transparent conductive coatings, volt-current characteristics
В данной работе использована методика расчета для получения вольтамперных характеристик СКСЭ на основе рутениевого красителя. Однако методика может быть применена к СКСЭ на основе любого другого красителя. Коэффициент поглощения рутениевого красителя в диапазоне от А1 = 300 нм до Я2 = 800 нм и другие параметры и константы взяты из источников [1, 2, 3] и представлены в таблице 1.
Таблица 1
Параметры и константы, использованные в модели
* ше 5.6ше (ше — масса электрона)
T 300 K
п0 1017 см-3
Е = Ее — Е^ 0.9 эВ
!£п/ 0.95
D 5 * 1015 см2/с
На рисунке 1 представлена вольтамперная характеристика, полученная в зависимости от времени жизни электрона ) при толщине й=Ю нм и 5 = 0.9.
Таблица 2
Значения /,с, /0-, РР и 2
* Jsc, мА/см2 60c, мВ FF !, %
0.8 11.170 819 0.828 7.572
© Шамин А. А., 2017 г.
0.9 12.470 822 0.858 8.482
0.95 13.120 823 0.827 8.937
1 13.770 824 0.827 9.392
Из таблицы 2 видно, что при увеличении 8, растет плотность тока короткого замыкания, а вместе с ним и энергоэффективность СКСЭ, тогда как напряжение холостого хода и фактор заполнения остаются практически неизменными.
На рисунках 2а и 2б изображены зависимости /4с(й) и ^(^[2,3]. Видно, что толщина данного слоя является важнейшим технологическим параметром, определяющим плотность тока короткого замыкания и энергоэффективность СКСЭ. Плотность тока короткого замыкания и энергоэффективность СКСЭ достигают максимальных значений в интервале от ^=15 нм до й?=20 нм [4, 5]. Дальнейшее увеличение толщины приводит к уменьшению значений /4с и эффективности СКСЭ. Также следует отметить, что толщина слоя ТЮ2 практически не влияет на напряжение холостого хода и фактор заполнения.
Кривые, изображенные на рисунках 3 (а) и 3 (б), отвечают значениям плотности тока короткого замыкания и энергоэффективности СКСЭ соответственно в зависимости от времени жизни электрона.
Полученные величины /4с, Уос, РР и ! согласуются с уже описанными ранее в литературе значениями для данного типа СКСЭ [4,5]. Следовательно, предложенная методика расчета является рабочей и гибкой, поэтому она может быть использована для проектирования и оптимизации СКСЭ.
Предложенная в данной статье методика расчета, позволяющая оптимизировать параметры любого типа СКСЭ, состоит из упрощенной физической модели и численного метода, допускающего решение системы дифференциальных уравнений, полученных из этой модели.
Применение данной методики позволило определить вольтамперные характеристики СКСЭ на основе рутения и рассчитать /4с, 60с, РР и !. Полученные результаты согласуются с описанными в литературе значениями. Также проанализировано влияние материала полупроводника и красителя и различных технологических параметров на производительность СКСЭ. Продемонстрировано, что оптимальная толщина слоя диоксида титана с1 = 15 нм, при этом дальнейшее увеличение приводит к незначительному уменьшению производительности СКСЭ. Показано также влияние времени жизни электрона. Значения свыше 40-50 мс не приводят к увеличению производительности СКСЭ.
Таким образом, предложенная в данной статье методика расчета позволяет проводить комплексный анализ производительности СКСЭ и допускает дальнейшее развитие численных методов для проектирования и оптимизации любых типов СКСЭ.
1 - т = 2 мс; 2 - т = 10 мс; 3 - т = 20 мс; 4 - т = 50 мс Рис. 1. Вольтамперная характеристика СКСЭ (? = 0.9) в зависимости от времени
жизни электрона
10 № № о ю 30
А (М*М) <1 (МР*)
Рис. 2а, 2б. График зависимости плотности тока от толщины и коэффициента энергоэффективности от толщины
Рис. 3а, 3б. График зависимости плотности тока от толщины и коэффициента
энергоэффективности от с
Литература
1. H. S. Jung and J. K. Lee, "Dye sensitized solar cells for economically viable photovoltaic systems," The Journal of Physical Chemistry Letters, vol. 4, no. 10, pp. 1682-1693, 2013.
2. A. Yella, H.-W. Lee, H. N. Tsao et al., "Porphyrin-sensitized solar cells with cobalt (II/III)-based redox electrolyte exceed 12 percent efficiency," Science, vol. 334, no. 6056, pp. 629-634, 2011.
3. M. Grätzel, "Dye-sensitized solar cells," Journal of Photochemistry and Photobiology C, vol. 4, no. 2, pp.145-153, 2003.
4. J. Ferber, R. Stangl, and J. Luther, "Electrical model of the dye-sensitized solar cell,"Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 53, no. 1-2, pp. 29-54, 1998.
5. J. Bisquert and I. Mora-Sero, "Simulation of steady-state characteristics of dye-sensitized solar cells and the interpretation of the diffusion length," Journal of Physical Chemistry Letters, vol. 1, no. 1, pp. 450-456, 2010.
