Научная статья на тему 'Оптимизация толщины гетероструктуры перовскитовых солнечных элементов с помощью численного моделирования'

Оптимизация толщины гетероструктуры перовскитовых солнечных элементов с помощью численного моделирования Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
141
26
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
SOLAR CELL / PEROVSKITE / TITANIUM DIOXIDE / HETEROSTRUCTURE / NUMERICAL SIMULATION / СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ / ПЕРОВСКИТ / ДИОКСИД ТИТАНА / ГЕТЕРОСТРУКТУРА / ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Малюков С.П., Саенко А.В., Клунникова Ю.В., Палий А.В.

Проведено численное физико-топологическое моделирование для оптимизации толщины перовскитовых солнечных элементов на основе гетероструктуры TiO2/CH3CN3PbI3-xClx/Spiro-OMeTAD. Результаты проведенных исследований показали, что оптимальные значения толщин пленок TiO2 и CH3CN3PbI3-xClx гетероструктуры, позволяющие получить высокий коэффициент полезного действия солнечного элемента, лежат в относительно узких пределах. Проведенные исследования показали возможность эффективного использования численного физико-топологического моделирования для разработки перовскитовых солнечных элементов с учетом особенностей фотогенерации, рекомбинации и переноса носителей заряда в реальных гетероструктурах.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Малюков С.П., Саенко А.В., Клунникова Ю.В., Палий А.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Optimization of heterostructure thickness of perovskite solar cells using numerical modeling

Numerical physical-topological modeling is carried out to optimize the thickness of perovskite solar cells on the basis of the heterostructure TiO2 / CH3CN3PbI3-xClx / Spiro-OMeTAD. The results of the conducted studies showed that the optimum values of the thicknesses of TiO2 and CH3CN3PbI3-xClx heterostructure films, which make it possible to obtain a high coefficient of efficiency of the solar cell, lie in relatively narrow limits. The carried out researches have shown the possibility of effective use of numerical physical-topological modeling for the development of perovskite solar cells, taking into account the features of photogeneration, recombination and transport of charge carriers in real heterostructures.

Текст научной работы на тему «Оптимизация толщины гетероструктуры перовскитовых солнечных элементов с помощью численного моделирования»

Оптимизация толщины гетероструктуры перовскитовых солнечных элементов с помощью численного моделирования

С.П. Малюков, А.В. Саенко, Ю.В. Клунникова, А.В. Палий

Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения Южный федеральный университет

Аннотация: Проведено численное физико-топологическое моделирование для оптимизации толщины перовскитовых солнечных элементов на основе гетероструктуры TiO2/CH3CN3Pbl3-xClx/Spiro-OMeTAD. Результаты проведенных исследований показали, что оптимальные значения толщин пленок TiO2 и CH3CN3PbI3-xClx гетероструктуры, позволяющие получить высокий коэффициент полезного действия солнечного элемента, лежат в относительно узких пределах. Проведенные исследования показали возможность эффективного использования численного физико-топологического моделирования для разработки перовскитовых солнечных элементов с учетом особенностей фотогенерации, рекомбинации и переноса носителей заряда в реальных гетероструктурах. Ключевые слова: солнечный элемент, перовскит, диоксид титана, гетероструктура, численное моделирование.

Введение

Солнечные элементы на основе перовскитов являются наиболее перспективными и широко исследуемыми благодаря простой технологии изготовления и высокому коэффициенту полезного действия (КПД) порядка 15-20 % [1]. Несмотря на значительный прогресс данных солнечных элементов, многие проблемы, связанные с увеличением параметров (КПД, фактор заполнения) и стабильностью их во времени остаются мало исследованными.

В качестве существенного фактора, влияющего на параметры перовскитовых солнечных элементов, является толщина металлоорганического перовскита (CH3NH3PbI3-xClx), поскольку она влияет на поглощение солнечного излучения и перенос носителей заряда. Толщина прозрачной пленки диоксида титана (TiO2) также оказывает существенное влияние на параметры солнечного элемента, поскольку с увеличением толщины пленки TiO2 возрастает сопротивление переносу носителей заряда и снижается её коэффициент пропускания [1, 2].

:

В рамках настоящей работы проводилось численное физико-топологическое моделирование для оптимизации параметров перовскитовых солнечных элементов на основе гетероструктуры ТЮ2/СН3СК3РЫ3-хС1х/8р1го-ОМеТЛО.

Описание модели

При моделировании рассматривалась конструкция перовскитового солнечного элемента с планарной р-ьп гетероструктурой (рис. 1), где в качестве поглощающего материала использовался широко исследованный перовскит СН3СК3РЫ3-хС1х в сочетании с электронным (ТЮ2) и дырочным (Брко-ОМеТЛБ) транспортными слоями [2, 3].

Физико-топологическая модель перовскитового солнечного элемента основана на стационарной диффузионно-дрейфовой системе уравнений полупроводника, в которую входят уравнения непрерывности для определения концентраций носителей зарядов (электронов и дырок), отражающие закон сохранения числа частиц в гетероструктуре, и уравнение Пуассона для установления связи между параметрами электрического поля и концентрациями электронов, дырок и ионизированной примеси [3-6]:

д_

дх

д_ дх

Я

г д(ф + ф„) дпЛ

п—+ —

V дх дх у

, д((Р-Ур) , дрЛ

дх дх у

+ О - Я = 0, (1)

+ О - Я = 0, (2)

д (в-^) = ± (п - р - М0 + МА), (3)

дх дх в0

где п, р - концентрация электронов и дырок; ¡лр - подвижности электронов и дырок; ф - электростатический потенциал; ф - температурный потенциал; фп, фр - гетероструктурные потенциалы в зоне проводимости и в валентной зоне; д - элементарный заряд; е - относительная диэлектрическая проницаемость; е0 - диэлектрическая постоянная; О - скорость оптической

генерации электронно-дырочных пар; Я - скорость рекомбинации электронно-дырочных пар; - концентрация донорной легирующей

примеси; Иа - концентрация акцепторной легирующей примеси.

Для повышения адекватности результатов моделирования учитывались процессы генерации и рекомбинации носителей заряда в гетероструктуре солнечного элемента с использованием аналитических моделей. Модель генерации носителей заряда в спектральном диапазоне поглощения перовскита основана на физическом законе Бугера-Ламберта-Бера и аппроксимации солнечного спектра АМ1.5 спектром теплового излучения абсолютно черного тела при температуре 5780 К (использовалась стандартная величина интенсивности спектра АМ1,5 равная 100 мВт/см в диапазоне длин волн 100-2000 нм) [3, 5]. Модель рекомбинации носителей заряда во всех материалах гетеростуктуры описывалась в рамках теории Шокли-Рида-Холла (рекомбинация через ловушки) [7, 8].

Решение диффузионно-дрейфовой системы уравнений модели солнечного элемента осуществлялось численно в системе МайаЬ итерационным методом Гуммеля, в котором на каждой итерации сначала решались уравнения непрерывности, а затем вычисленные значения концентраций носителей заряда подставлялись в уравнение Пуассона для расчета электрического потенциала.

Результаты моделирования

В результате численного моделирования получены вольт-амперные характеристики перовскитовых солнечных элементов при толщине пленки перовскита от 100 до 1000 нм (толщина пленки ТЮ2 составляла 50 нм) и при толщине пленки ТЮ2 от 0 до 300 нм (толщина пленки перовскита составляла 300 нм), а также построены зависимости КПД от толщины пленок (рис. 1).

:

а

0.005

100 нм

200 нм

300 нм

0 нм

N \\

\

0.4 0.6 0.8 Напряжение. Б

б

Рис. 1 - Вольт-амперные характеристики и зависимости КПД от

толщин пленки перовскита (а) и пленки ТЮ2 (б) Из рис. 1(а) следует, что оптимальная толщина пленки перовскита составляет 300-400 нм. Наличие максимума связано с тем, что при увеличении толщины пленки возрастает фототок солнечного элемента, который выходит на насыщение, в то время как фотонапряжение с ростом толщины уменьшается вследствие возрастания скорости рекомбинации [8].

Из рис. 1(б) следует, что оптимальная толщина пленки ТЮ2 составляет 50-100 нм. Фототок и фотонапряжение солнечных элементов постепенно снижается с увеличением толщины пленки ТЮ2 вследствие поглощения части падающего излучения пленкой ТЮ2, возрастающей объемной рекомбинации, а также увеличением последовательного сопротивления в солнечном элементе [9, 10].

Вывод

В результате проведенного численного моделирования показано, что наблюдается сильная зависимость КПД солнечного элемента от толщины пленок CH3CN3PbI3-xClx и TiO2. Диапазон толщин пленок гетероструктуры TiO2/CH3CN3PbI3-xClx/Spiro-OMeTAD, позволяющий создавать высокоэффективные солнечные элементы, достаточно узок. Разработанная физико-топологическая модель позволила достичь хорошего соответствия между теоретическими расчетами и экспериментальными данными [1]. Таким образом, результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о возможности эффективного использования численного физико-топологического моделирования перовскитовых солнечных элементов для оптимизации толщины их гетероструктуры.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-00204 мол_а.

Литература

1. Hobeom Kim, Kyung-Geum Lim, Tae-Woo Lee. Planar heterojunction organometal halide perovskite solar cells: roles of interfacial layers // Energy Environ. Sci., 2016. Vol. 9. PP. 12-30.

2. Hyun Suk Jung, Nam-Gyu Park. Perovskite Solar Cells: From Materials to Devices // Small, 2015. Vol. 11. № 1. PP. 10-25.

3. S.P. Malyukov, A.V. Sayenko, E.A. Ryndin, Y.V. Klunnikova. The driftdiffusion simulation of p-i-n heterojunction perovskite solar cells // Proceedings of the 2016 International Conference on «Physics, Mechanics of New Materials and Their Applications». Nova Science Publishers, 2017. Chapter 67. PP. 419-425.

4. Yecheng Zhou, Angus Gray-Weale. A numerical model for charge transport and energy conversion of perovskite solar cells // Phys. Chem. Chem. Phys., 2016. Vol. 18. pp.4476-4486.

5. Malyukov S.P., Sayenko A.V., Ivanova A.V. Numerical modeling of perovskite solar cells with a planar structure // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016. Vol. 151. PP. 120-123.

6. Bernabe Mari Soucase, Inmaculada Guaita Pradas, Krishna R. Adhikari. Numerical Simulations on Perovskite Photovoltaic Devices // InTech, 2016. Chapter 15. PP. 445-488.

7. Малюков С.П., Саенко А.В. Разработка модели сенсибилизированного красителем солнечного элемента // Известия ЮФУ. Технические науки, 2014. № 1.С. 120-126.

8. Hui-Jing Du, Wei-Chao Wang, Yi-Fan Gu. Simulation design of P-I-N-type all-perovskite solar cells with high efficiency // Chi. Phys. B, 2017. Vol. 26, № 2. PP. 1-7.

9. Малюков С.П., Саенко А.В., Бондарчук Д.А. Исследование влияния толщины пленки TiO2 на фотоэлектрические характеристики перовскитовых солнечных элементов // Инженерный вестник Дона. 2016. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3866.

10. Малюков С.П., Саенко А.В., Палий А.В., Бондарчук Д. А., Бесполудин В.В. Исследование распределения температуры в пленке TiO2 при импульсном лазерном нагреве // Инженерный вестник Дона. 2017. № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N3y2017/4306.

References

1. Hobeom Kim, Kyung-Geum Lim, Tae-Woo Lee. Energy Environ. Sci., 2016. Vol. 9. pp. 12-30.

2. Hyun Suk Jung, Nam-Gyu Park. Small, 2015. Vol. 11. № 1. pp. 10-25.

3. S.P. Malyukov, A.V. Sayenko, E.A. Ryndin, Y.V. Klunnikova. Proceedings of the 2016 International Conference on «Physics, Mechanics of New Materials and Their Applications». Nova Science Publishers, 2017. Chapter 67. pp. 419-425.

4. Yecheng Zhou, Angus Gray-Weale. Phys. Chem. Chem. Phys., 2016. Vol. 18. pp. 4476-4486.

5. Malyukov S.P., Sayenko A.V., Ivanova A.V. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016. Vol. 151. pp. 120-123.

6. Bernabe Mari Soucase, Inmaculada Guaita Pradas, Krishna R. InTech, 2016. Chapter 15. pp. 445-488.

7. Maljukov S.P., Saenko A.V. Izvestiya SFedU. Tehnicheskie nauki, 2014. № 1. pp. 120-126.

8. Hui-Jing Du, Wei-Chao Wang, Yi-Fan Gu. Chi. Phys. B, 2017. Vol. 26, № 2. pp. 1-7.

9. Maljukov S.P., Saenko A.V., Klunnikova Ju.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2016. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3866.

10. Maljukov S.P., Saenko A.V., Paliy A.V., Bondarchuk D.A., Bespoludin V.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2017. № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N3y2017/4306.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.