Mô phỏng số và thiết kế tối ưu của pin mặt trời perovskite dựa trên lớp vận chuyển electron oxit kẽm được nhạy hóa

Rihab Chouk1,2, Chadlia Aguir1,3, Razika Tala-Ighil4, Naif Mohammed Al-Hada5, Bandar Ali Al-Asbahi6, Mohamed Khalfaoui2,1
1Laboratory of Physical Chemistry of Materials, Department of Physics, Faculty of Sciences of Monastir, University of Monastir, Monastir, Tunisia
2Department Technology, Research Group in Materials Sciences, Microelectronics and Nanotechnologies, Higher Institute of Computer Sciences and Mathematics of Monastir, University of Monastir, Monastir, Tunisia
3High School of Health Sciences and Techniques of Monastir, University of Monastir, Monastir, Tunisia
4Research Unit on Materials Processes and Environment (URMPE), Institute of Electrical and Electronic Engineering, M’hammed Bougara University, Boumerdes, Algeria
5Shandong Key Laboratory of Biophysics, Institute of Biophysics, Dezhou University, Dezhou, China
6Department of Physics and Astronomy College of Science, King Saud University, Riyadh, Saudi Arabia

Tóm tắt

Bài báo hiện tại đề cập đến việc mô phỏng số và tối ưu hóa pin mặt trời perovskite (PSC) phẳng dựa trên lớp vận chuyển electron oxit kẽm (ZnO) được nhạy hóa bằng cách sử dụng mô phỏng dung lượng pin mặt trời (SCAPS). Nhiều tham số của thiết bị như độ dày perovskite, mật độ tạp chất, mật độ khuyết tật khối, mật độ khuyết tật bề mặt và hiệu ứng của điện cực tiếp xúc kim loại đến hiệu suất PSC của chúng tôi đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Kết quả mô phỏng cho thấy việc tối ưu hóa độ dày lớp hấp thụ perovskite methylammonium triiodide chì (MAPbI3) khoảng 600 nm với nồng độ tạp chất 10^16 cm−3 và mật độ khuyết tật nhỏ hơn 10^15 cm−3 là điều kiện quyết định để nâng cao hiệu suất thiết bị. Hơn nữa, việc giảm mật độ khuyết tật ở bề mặt, cụ thể là tại Zn:Co-NG/MAPbI3 xuống 10^11 cm−2 và perovskite/Spiro-OMeTAD xuống 10^12 cm−2, là rất quan trọng để cải thiện hiệu quả thiết bị. Ngoài ra, việc thay thế điện cực Ag bằng điện cực Au, có chức năng công việc cao hơn, được tìm thấy là có lợi hơn cho việc nâng cao hiệu suất thiết bị. Thông qua tối ưu hóa, một pin mặt trời perovskite hiệu suất cao với hiệu suất đạt 21,16% đã được đạt được. Những kết quả mô phỏng này có thể giúp các nhà nghiên cứu xây dựng các pin mặt trời perovskite phẳng hiệu suất cao một cách hiệu quả nhất.

Từ khóa

#pin mặt trời perovskite #mô phỏng số #lớp vận chuyển electron oxit kẽm #hiệu suất thiết bị #tối ưu hóa

Tài liệu tham khảo

Balis N, Verykios A, Soultati A, Constantoudis V, Papadakis M, Kournoutas F, Drivas C, Skoulikidou M-C, Gardelis S, Fakis M (2018) Triazine-substituted zinc porphyrin as an electron transport interfacial material for efficiency enhancement and degradation retardation in planar perovskite solar cells. ACS Appl Energy Mater 1(7):3216–3229

Burgelman M, Nollet P, Degrave S (2000) Modelling polycrystalline semiconductor solar cells. Thin Solid Films 361:527–532

Burgelman M, Decock K, Khelifi S, Abass A (2013) Advanced electrical simulation of thin film solar cells. Thin Solid Films 535:296–301

Burgelman M, Decock K, Niemegeers A, Verschraegen J, Degrave S (2016) SCAPS manual. University of Ghent, Ghent

Chouk R, Haouanoh D, Aguir C, Bergaoui M, Toubane M, Bensouici F, Tala-Ighil R, Erto A, Khalfaoui M (2020a) Dye sensitized TiO 2 and ZnO charge transport layers for efficient planar perovskite solar cells: experimental and DFT insights. J Electron Mater 49:1396–1403

Chouk R, Haouanoh D, Bergaoui M, Aguir C, Tala-Ighil R, Khalfaoui M (2020) Efficient planar perovskite solar cells using Schiff base complex as sensitizer for TiO 2 and ZnO layers. in 2020 6th IEEE International Energy Conference (ENERGYCon). 2020. IEEE

Chowdhury M, Shahahmadi S, Chelvanathan P, Tiong S, Amin N, Techato K-A, Nuthammachot N, Chowdhury T, Suklueng M (2020) Effect of deep-level defect density of the absorber layer and n/i interface in perovskite solar cells by SCAPS-1D. Results Phys 16:102839

Girtan M, Negulescu B (2022) A review on oxide/metal/oxide thin films on flexible substrates as electrodes for organic and perovskite solar cells. Opt Mater X 13:100122

Gkini K, Balis N, Papadakis M, Verykios A, Skoulikidou M-C, Drivas C, Kennou S, Golomb M, Walsh A, Coutsolelos AG (2020) Manganese porphyrin interface engineering in perovskite solar cells. ACS Appl Energy Mater 3(8):7353–7363

Humadi MD, Hussein HT, Mohamed MS, Mohammed MK, Kayahan E (2021) A facile approach to improve the performance and stability of perovskite solar cells via FA/MA precursor temperature controlling in sequential deposition fabrication. Opt Mater 112:110794

Islam MT, Jani MR, Islam AF, Shorowordi KM, Chowdhury S, Nishat SS, Ahmed S (2021) Investigation of CsSn 0.5 Ge 0.5 I 3-on-Si tandem solar device utilizing SCAPS simulation. IEEE Trans Electron Devices 68(2):618–625

Kanoun MB, Kanoun A-A, Merad AE, Goumri-Said S (2021) Device design optimization with interface engineering for highly efficient mixed cations and halides perovskite solar cells. Results Phys 20:103707

Karthick S, Velumani S, Bouclé J (2020) Experimental and SCAPS simulated formamidinium perovskite solar cells: a comparison of device performance. Sol Energy 205:349–357

Kumar NS, Naidu KCB (2021) A review on perovskite solar cells (PSCs), materials and applications. J Materiomics 7(5):940–956

Lakhdar N, Hima A (2020) Electron transport material effect on performance of perovskite solar cells based on CH3NH3GeI3. Opt Mater 99:109517

Lee J-W, Kim H-S, Park N-G (2016) Lewis acid–base adduct approach for high efficiency perovskite solar cells. Acc Chem Res 49(2):311–319

Luo D, Su R, Zhang W, Gong Q, Zhu R (2020) Minimizing non-radiative recombination losses in perovskite solar cells. Nat Rev Mater 5(1):44–60

Ma Y, Zhang Y, Zhang H, Lv H, Hu R, Liu W, Wang S, Jiang M, Chu L, Zhang J (2021) Effective carrier transport tuning of CuOx quantum dots hole interfacial layer for high-performance inverted perovskite solar cell. Appl Surf Sci 547:149117

Odabaşi Özer Ç (2019) Knowledge extraction for organometallic perovskite solar cells from published data in literature. Doctoral Thesis. https://acikbilim.yok.gov.tr/handle/20.500.12812/72371. Accessed 28 Nov 2019

Odabaşı Ç, Yıldırım R (2019) Performance analysis of perovskite solar cells in 2013–2018 using machine-learning tools. Nano Energy 56:770–791

RafieiRad R, Ganji BA (2021) Efficiency improvement of Perovskite solar cells by utilizing CuInS2 thin layer: modeling and numerical study. IEEE Trans Electron Devices 68(10):4997–5002

Salem MS, Shaker A, Othman MS, Al-Bagawia AH, Fedawy M, Aleid GM (2022) Numerical analysis and design of high performance HTL-free antimony sulfide solar cells by SCAPS-1D. Opt Mater 123:111880

Sharma S, Pandey R, Madan J, Sharma R (2021) Optimization of Mixed Sn and Pb Perovskite Solar Cell in Terms of Transport Layers and Absorber Layer Thickness Variation. In 2021 Devices for Integrated Circuit (DevIC). IEEE

Tailor NK, Abdi-Jalebi M, Gupta V, Hu H, Dar MI, Li G, Satapathi S (2020) Recent progress in morphology optimization in perovskite solar cell. J Mater Chem A 8(41):21356–21386

Tan K, Lin P, Wang G, Liu Y, Xu Z, Lin Y (2016) Controllable design of solid-state perovskite solar cells by SCAPS device simulation. Solid-State Electron 126:75–80

Tessler N, Vaynzof Y (2020) Insights from device modeling of perovskite solar cells. ACS Energy Lett 5(4):1260–1270

Tress W, Domanski K, Carlsen B, Agarwalla A, Alharbi EA, Graetzel M, Hagfeldt A (2019) Performance of perovskite solar cells under simulated temperature-illumination real-world operating conditions. Nat Energy 4(7):568–574

Wang T, Chen J, Wu G, Li M (2016) Optimal design of efficient hole transporting layer free planar perovskite solar cell. Sci China Mater 59(9):703–709

Yang F, Wang S, Dai P, Chen L, Wakamiya A, Matsuda K (2021) Progress in recycling organic–inorganic perovskite solar cells for eco-friendly fabrication. J Mater Chem A 9(5):2612–2627

Zaky AA, El Sehiemy RA, Rashwan YI, Elhossieni MA, Gkini K, Kladas A, Falaras P (2019) Optimal performance emulation of PSCs using the elephant herd algorithm associated with experimental validation. ECS J Solid State Sci Technol 8(12):Q249

Zhao P, Lin Z, Wang J, Yue M, Su J, Zhang J, Chang J, Hao Y (2019) Numerical simulation of planar heterojunction perovskite solar cells based on SnO2 electron transport layer. ACS Appl Energy Mater 2(6):4504–4512

Zhao Q, Zhou B, Luo L, Duan Z, Xie Z, Hu Y (2023) A literature overview of cell layer materials for perovskite solar cells. MRS Commun. https://doi.org/10.1557/s43579-023-00467-7