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,

+ О - Я = 0,

д

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.