İki boyutlu BA2PbI4 perovskit katmanı içeren güneş hücresi yapısının verim optimizasyonu
Efficiency optimization of a solar cell structure containing a two-dimensional BA2PbI4 perovskite layer
Yazar: ORHAN POLAT
Danışman: DOÇ. DR. ÇAĞLAR DUMAN
Erzurum Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Perovskit güneş hücrelerinin güç dönüşüm verimliliği, son zamanlarda hızla artmıştır. Bu gelişme, cihaz mimarisinin optimizasyonu, boşluk ve elektron taşıma tabakalarının iyileştirilmesi ve yüksek kaliteli perovskit filmlerin üretilebilmesiyle mümkün olmuştur. Ancak, 3B perovskit güneş hücreleri neme, ısıya ve ışığa maruz kaldığında düşük kararlılık gösterirler. Bu kararlılık sorununa çözüm olarak, yapı içerisinde 2B perovskit katmanları kullanılabilir. Bu çalışmada, NIP yapısındaki FTO/ETL/3B perovskit/2B perovskit/HTL/Au güneş hücresi modellenmiştir. Önerilen yapı SCAPS-1D yazılımı kullanılarak AM1.5G güneş spektrumu aydınlatması (1000 W/m2) ve 300 K ortam sıcaklığı altında simüle edilmiştir. Farklı ETL ve HTL malzemelerinin karşılaştırmalı analiz sonuçlarına göre, sırasıyla SnO2 ve NiO en uygun katman malzemeleri olarak seçilmiştir. 3B perovskit katman kalınlığının artışıyla Voc ve FF değerleri düşerken Jsc değeri artmıştır. 2B perovskit katman kalınlığının artırılması durumunda ise simülasyon sonuçlarına göre güneş hücresi performansı olumsuz etkilenmiştir. Ayrıca, 3B perovskit katmanındaki kusur yoğunluğu artışının güneş hücresi performansını düşürdüğü görülmüştür. Simülasyonlarla perovskit güneş hücrelerinin kararlılık problemlerini en aza indirecek optimum güneş hücresi tasarlanmaya çalışılmıştır. 900 nm kalınlığa sahip 3B perovskit katman üzerine kaplama katmanı olarak 9 nm kalınlığında 2B perovskit katmanın yer aldığı FTO/SnO2/3B perovskit/2B perovskit/NiO/Au yapısına sahip NIP güneş hücresi tasarlanmıştır. Optimum güneş hücresi simülasyonu sonucunda Voc 1,40 V, Jsc 25,59 mA/cm², FF %79,59 ve PCE %28,58 olarak elde edilmiştir.

Abstract:
Power conversion efficiency of perovskite solar cells has increased rapidly in recent years. This progress has been made possible through the optimization of the device architecture, the improvement of hole and electron transport layers, and production of high-quality perovskite films. However, 3D perovskite solar cells exhibit low stability to moisture, heat, and light. To address this stability issue, 2D perovskite layers can be incorporated into the structure. In this study, an FTO/ETL/3D perovskite/2D perovskite/HTL/Au solar cell in a NIP configuration was modeled. The proposed structure was simulated using SCAPS-1D software under AM1.5G solar spectrum illumination (1000 W/m²) and at an ambient temperature of 300 K. According to the comparative analysis of different HTL and ETL materials, NiO and SnO2 were chosen as the most suitable HTL and ETL materials, respectively. As the thickness of the 3D perovskite layer increased, the Voc and FF values decreased while the Jsc value increased. Conversely, increasing the thickness of the 2D perovskite layer negatively affected the solar cell performance according to the simulation results. Additionally, an increase in defect density within the 3D perovskite layer was found to degrade the solar cell performance. It was aimed to design an optimal solar cell to minimize the stability problems of perovskite solar cells with the simulations. A NIP solar cell structure with FTO/SnO2/3D perovskite/2D perovskite/NiO/Au configuration, featuring a 900 nm thick 3D perovskite layer and a 9 nm thick 2D perovskite capping layer, was designed. The optimal solar cell simulation resulted in a Voc of 1,40 V, a Jsc of 25,59 mA/cm², a FF of 79,59%, and a PCE of 28,58%.