Исследование влияния толщины пленки TiO2 на фотоэлектрические характеристики перовскитовых солнечных элементов

Исследование влияния толщины пленки TiO2 на фотоэлектрические характеристики перовскитовых солнечных элементов

С.П. Малюков, А.В. Саенко, Д.А. Бондарчук

Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения Южный федеральный университет

Аннотация: Нанокристаллические пленки TiO2 используются в качестве прозрачного слоя n-типа проводимости в перовскитовых солнечных элементах. В работе представлено численное диффузионно-дрейфовое моделирование процессов переноса и накопления носителей заряда в гетероструктуре TiO2 / перовскит / полупроводник p-типа. В основу моделирования положена стационарная физико-топологической модель, базирующаяся на диффузионно-дрейфовой системе уравнений полупроводника и позволяющая моделировать перовскитовые солнечные элементы с различными электрофизическими и конструктивно-технологическими параметрами. Получены фотоэлектрические характеристики данных солнечных элементов и построена зависимость коэффициента полезного действия от толщины пленки TiO2. Установлено, что оптимальная толщина пленки TiO2 составляет 50-100 нм, что способствует повышению коэффициента полезного действия перовскитовых солнечных элементов.

Ключевые слова: солнечный элемент, тонкая пленка, диоксид титана, p-i-n структура, численное моделирование.

Введение

В настоящее время наиболее широко исследуемыми солнечными элементами являются перовскитовые солнечные элементы, поскольку они обладают высокими фотоэлектрическими параметрами, в частности коэффициент полезного действия (КПД) достигает 15-20 %, а их технология изготовления не требует энергоемких и сложных технологических процессов. Однако, несмотря на интенсивные исследования, по-прежнему недостаточно изучена возможность оптимизации конструкции и практический предел КПД данных солнечных элементов [1, 2].

В данной работе представлена разработанная стационарная физико-топологической модель перовскитового солнечного элемента, с помощью которой исследовано влияние толщины пленки диоксида титана (TiO2) на фотоэлектрические характеристики данных солнечных элементов, в частности КПД.

Нанокристаллические пленки TiO2 используются в перовскитовых солнечных элементов в качестве прозрачного материала n-типа проводимости и дырочного блокирующего слоя. Толщина пленки TiO2 оказывает существенное влияние на характеристики солнечного элемента [2]. Толстая пленка повышает сопротивление переносу носителей заряда за счет увеличения расстояния проходимого электронами от слоя перовскита к TCO-контакту (прозрачный проводящий оксид). Кроме того, толстая пленка TiO2 уменьшает светопоглощение перовскита. Тонкая пленка TiO2 может не полностью покрывать подложку, что приводит к нежелательному контакту слоя перовскита с TCO и значительному возрастанию рекомбинационных потерь. Следовательно, оптимизация толщины пленки TiO2 может способствовать снижению рекомбинационных потерь и повышению КПД солнечного элемента.

Описание модели

Конструкция моделируемого перовскитового солнечного элемента с p-i-n гетероструктурой состоит из светопоглощающего материала перовскита CH3CN3PbI3-xClx в сочетании с электронным (TiO2) и дырочным (Spiro-OMeTAD) транспортными слоями. Для формирования омических контактов к транспортным слоям используются TCO (SnO2: F) и серебро (Ag) соответственно [3-5]. Фотогенерированные электроны и дырки дрейфуют и диффундируют через перовскитовый материал и транспортные слои n- и p-типа к контактам.

Физико-топологическая модель перовскитового солнечного элемента основана на диффузионно-дрейфовой системе уравнений полупроводника, включающей стационарные дифференциальные уравнения непрерывности для определения концентраций электронов и дырок, а также уравнение Пуассона для расчета напряженности электрического поля в слоях гетероструктуры [6, 7]:

д_ дх

д_ дх

Я

д(р + Уп) д«л - -— + рт—

дх дх

Яр\ Р

д{

дх

др дх

+ О - Я = 0,

+ О - Я = 0,

— (£~) = — (п - Р - Ни + ),

дх дх еп

где п, р - концентрация электронов и дырок; - подвижности электронов и дырок; ф - электростатический потенциал; фт - температурный потенциал; Уп, Ур - гетероструктурные потенциалы в зоне проводимости и в валентной зоне; q - элементарный заряд; е - относительная диэлектрическая проницаемость; е0 - электрическая постоянная; О - скорость оптической генерации электронно-дырочных пар; Я - скорость рекомбинации электронно-дырочных пар; N0 - концентрация донорной легирующей примеси; N - концентрация акцепторной легирующей примеси.

Процессы накопления носителей заряда в гетероструктуре описывались с использованием модели генерации носителей заряда в спектральном диапазоне поглощения перовскита на основе закона Бугера-Ламберта и аппроксимации солнечного спектра АМ1.5 спектром теплового излучения при температуре 5780 К [4, 8], а также рекомбинации носителей заряда через ловушки Шокли-Холла-Рида (рекомбинация на примесных центрах), которая применялась для всех слоев гетероструктуры [6].

Выходное напряжение в солнечном элементе определялось как разность потенциалов на контактах гетероструктуры, т.е. между квазиуровнем Ферми для электронов на границе ТСО/ТЮ2 и квазиуровнем Ферми для дырок на границе Брко-ОМеТЛОМ^.

Реализация физико-топологической модели осуществлялась численно с помощью разработанных программ на языке МЛТЬЛВ (при решении использовался итерационный метод Гуммеля) [9-10], позволяющие

J

осуществлять моделирование р-1-п гетероструктуры перовскитового солнечного элемента с различными электрофизическими и конструктивно-технологическими параметрами.

Результаты моделирования

Моделирование осуществлялось для одномерной координатной сетки в предположении равномерного освещения гетероструктуры перовскитового солнечного элемента спектром солнечного излучения АМ1,5 со стороны пленки Т102. В результате численного моделирования получены вольт-амперные характеристики перовскитовых солнечных элементов при толщине пленки Т102 от 0 до 300 нм (рис. 1, а) и построена зависимость КПД от толщины пленки Т102 (рис. 1, б).

0.025

Г 0.015

0.01

100 нм

200 нм ч

300 нм

0 нм \

\

0.2 0.4 0.6 0.8 1

Напряжение, В

1.2

а

б

Рис. 1 - Вольт-амперные характеристики солнечных элементов (а) и зависимости КПД от толщины пленки TiO2 (б) Из рис. 1 следует, что плотность тока короткого замыкания, напряжение холостого хода и КПД солнечных элементов постепенно снижается с увеличением толщины пленки TiO2 вследствие поглощения части падающего излучения пленкой TiO2, возрастающей объемной рекомбинации, а также увеличением последовательного сопротивления солнечного элемента. Так как электроны переносятся к TCO через слои TiO2 и перовскит, а перенос электронов в перовските происходит на несколько

порядков быстрее (ц

перовскит

2 3 2

2 см /В с, цтю2 = 10" см /В с), то рекомбинация

на границе TCO / перовскит осуществляется довольно быстро, поэтому более толстая и менее проводящая пленка TiO2 уменьшает рекомбинационные потери [2] и улучшает характеристики солнечного элемента.

В результате получено, что перовскитовые солнечные элементы с блокирующей нанокристаллической пленкой TiO2 толщиной 50-100 нм обладают наилучшими фотоэлектрическими характеристиками и показывают максимальный КПД.

В данной работе предложена численная стационарная диффузионно-дрейфовая модель, которая позволяет исследовать физические процессы, протекающие в перовскитовых солнечных элементах с р-ьп структурой при различных значениях электрофизических и конструктивно-технологических параметров.

Получены фотоэлектрические характеристики перовскитовых солнечных элементов при толщине пленки ТЮ2 от 0 до 300 нм и построена зависимость КПД от толщины пленки ТЮ2. Показано, что увеличение толщины пленки ТЮ2 больше 100 нм приводит к уменьшению КПД солнечных элементов преимущественно за счет увеличения частичного поглощения солнечного излучения и величины последовательного сопротивления. Установлено, что оптимальная толщина пленки ТЮ2 составляет 50-100 нм, что способствует получению максимального КПД.

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

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

Вывод

Литература

2. X. Wang, Y. Fang, Lei He, Qi Wang, Tao Wu. Influence of compact TiO2 layer on the photovoltaic characteristics of the organometal halide perovskite-based solar cells // Mat. Sci. in Semicon. Proc., 2014. Vol. 27. pp. 569-576.

3. Takashi Minemoto, Masashi Murata. Device modeling of perovskite solar cells based on structural similarity with thin film inorganic semiconductor solar cells // Journal of applied physics, 2014. Vol. 116. pp. 540-550.

4. Wei E. I. Sha, X. Ren, Luzhou Chen, C. H. Choy. The efficiency limit of СНзКНзРЫз perovskite solar cells // Appl. Phys. Lett., 2015. Vol. 106. pp.22-25.

5. Mingzhen Liu, Michael B. Johnston, Henry J. Snaith. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition // Nature, 2013. Vol. 501. pp. 395-398.

6. Yecheng Zhou, Angus Gray-Weale. A numerical model for charge transport and energy conversion of perovskite solar cells // Physical Chemistry Chemical Physics, 2016. Vol. 18. pp.4476-4486.

7. 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

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

9. Саенко А.В., Малюков С.П., Клунникова Ю.В., Бесполудин В.В., Бондарчук Д.А. Моделирование процесса лазерного отжига пленки TiO2 для применения в солнечных элементах // Инженерный вестник Дона. 2016. № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3517.

10. Саенко А.В., Палий А.В., Бесполудин В.В. Моделирование конструкции кремниевых солнечных элементов с использованием программы PC1D // Инженерный вестник Дона. 2016. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2016/3562.

References

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

2. X. Wang, Y. Fang, Lei He, Qi Wang, Tao Wu. Influence of compact TiO2 layer on the photovoltaic characteristics of the organometal halide perovskite-based solar cells. Mat. Sci. in Semicon. Proc., 2014. Vol. 27. pp. 569-576.

3. Takashi Minemoto, Masashi Murata. Device modeling of perovskite solar cells based on structural similarity with thin film inorganic semiconductor solar cells. Journal of applied physics, 2014. Vol. 116. pp. 540-550.

4. Wei E. I. Sha, X. Ren, Luzhou Chen, C. H. Choy. The efficiency limit of CH3NH3PbI3 perovskite solar cells. Appl. Phys. Lett., 2015. Vol. 106. pp. 22-25.

5. Mingzhen Liu, Michael B. Johnston, Henry J. Snaith. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition. Nature, 2013. Vol. 501. pp. 395-398.

6. Yecheng Zhou, Angus Gray-Weale. A numerical model for charge transport and energy conversion of perovskite solar cells. Physical Chemistry Chemical Physics, 2016. Vol. 18. pp. 4476-4486.

7. 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

8. Maljukov S.P., Saenko A.V. Izvestiya SFedU. Engineering Sciences, 2014. № 1. pp. 120-126.

9. Saenko A.V., Maljukov S.P., Klunnikova Ju.V., Bespoludin V.V., Bondarchuk D.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2016. № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3517.

10. Saenko A.V., Paliy A.V., Bespoludin V.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus). 2016. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2016/3562.