Оптимизация толщины гетероструктуры перовскитовых солнечных элементов с помощью численного моделирования

Численное физико-топологическое моделирование для оптимизации толщины перовскитовых солнечных элементов на основе гетероструктуры. Анализ использования численного физико-топологического моделирования для разработки перовскитовых солнечных элементов.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 11.01.2018
Размер файла 909,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

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/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.

Ключевые слова: солнечный элемент, перовскит, диоксид титана, гетероструктура, численное моделирование.

элемент солнечный перовскитовый

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 TiO2/CH3CN3PbI3-xClx/Spiro-OMeTAD.

Описание модели

При моделировании рассматривалась конструкция перовскитового солнечного элемента с планарной p-i-n гетероструктурой (рис. 1), где в качестве поглощающего материала использовался широко исследованный перовскит CH3CN3PbI3-xClx в сочетании с электронным (TiO2) и дырочным (Spiro-OMeTAD) 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]:

(1)

(2)

(3)

где n, p - концентрация электронов и дырок; мn, мp - подвижности электронов и дырок; ц - электростатический потенциал; цt - температурный потенциал; цn, цp - гетероструктурные потенциалы в зоне проводимости и в валентной зоне; q - элементарный заряд; е - относительная диэлектрическая проницаемость; е0 - диэлектрическая постоянная; G - скорость оптической генерации электронно-дырочных пар; R - скорость рекомбинации электронно-дырочных пар; ND - концентрация донорной легирующей примеси; NA - 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 AM1,5 равная 100 мВт/см2 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 Matlab 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 TiO2 составляла 50 нм) и при толщине пленки TiO2 от 0 до 300 нм (толщина пленки перовскита составляла 300 нм), а также построены зависимости КПД от толщины пленок (рис. 1).

а

б

Рис. 1 - Вольт-амперные характеристики и зависимости КПД от толщин пленки перовскита (а) и пленки TiO2 (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 TiO2 составляет 50-100 нм. Фототок и фотонапряжение солнечных элементов постепенно снижается с увеличением толщины пленки TiO2 вследствие поглощения части падающего излучения пленкой TiO2, 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 высоко-эффективные 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 drift-diffusion 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 ef?ciency // 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. Inћenernyj 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. Inћenernyj vestnik Dona (Rus). 2017. № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N3y2017/4306.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Солнечная батарея как объект моделирования. Общие принципы построения и отладки математической модели солнечных батарей. Кристаллические полупроводниковые материалы. Рекомендации по построению фотоэлектрических систем космического и наземного назначения.

    автореферат [451,5 K], добавлен 20.05.2012

  • Этапы разработки микропроцессорной системы на основе микроконтроллера. Общая характеристика солнечных часов. Разработка схемы, программного обеспечения и алгоритма управления солнечных часов. Технико-экономическое обоснование разработки и охрана труда.

    дипломная работа [5,9 M], добавлен 16.07.2010

  • Изучение принципов моделирования радиотехнических устройств. Расчет элементов радиоприемного устройства супергетеродинного типа и прохождения сигнала через них. Анализ усилителя радиочастоты, гетеродина и смесителя. Оценка действия фильтра и детектора.

    курсовая работа [5,6 M], добавлен 08.01.2016

  • Среднее время и вероятность безотказной работы. Гамма-процентная наработка до отказа. Краткое описание метода моделирования на ЭВМ отказов элементов. Решение задачи на ЭВМ и описание используемых операторов. Аналитический расчет показателей надежности.

    курсовая работа [38,9 K], добавлен 12.06.2010

  • Рассмотрение особенностей солнечных элементов и выбор типа солнечной панели. Анализ типовых схемотехнических и конструкторских решений контроллеров заряда аккумуляторной батареи. Разработка структурной и электрической схемы, конструкции устройства.

    дипломная работа [4,7 M], добавлен 10.10.2015

  • Обзор приборов, измеряющих толщину диэлектрических пленок и лакокрасочных покрытий. Исследование принципа работы измерительных преобразователей толщины. Расчет выходного дифференциального каскада, определение наименования и номиналов всех элементов.

    практическая работа [210,4 K], добавлен 21.02.2012

  • Возможности программы схемотехнического моделирования и проектирования MC8DEMO из семейства Micro-Cap. Характеристики ключевых схем на биполярных транзисторах и базовых схем логических элементов ТТЛ с использованием возможностей программы MC8DEMO.

    лабораторная работа [265,0 K], добавлен 24.12.2010

  • Разработка и унификация аналоговых и импульсных интегральных схем. Сущность экспериментального моделирования. Описание математического моделирования. Программа моделирования работы схемы содержит ряд типовых подпрограмм. Оптимизация схемы (модели).

    реферат [1006,5 K], добавлен 12.01.2009

  • Математические модели и тестер для измерения параметров радиоэлектронных элементов. Решение задачи по повышению точности моделирования путём использования прямых методов применения Y-матрицы транзистора. Недостатки применяемых измерительных приборов.

    дипломная работа [129,6 K], добавлен 03.03.2009

  • Моделирование электронных схем в пакете комплексного проектирования OrCad 9.2. Определение граничной частоты фильтра. Исследование влияния подстраиваемых элементов на частоту среза фильтра. Оптимизация с помощью PSpice Optimizer. Разводка печатной платы.

    курсовая работа [457,5 K], добавлен 27.12.2012

  • Понятие моделей источников цифровых сигналов. Программы схемотехнического моделирования цифровых устройств. Настройка параметров моделирования. Определение максимального быстродействия. Модели цифровых компонентов, основные методы их разработки.

    курсовая работа [2,4 M], добавлен 12.11.2014

  • Изучение методов проектирования, расчета и моделирования усилителей с использованием САРП. Расчёт коэффициента усиления напряжения разомкнутого усилителя. Выходной, входной каскад и расчет емкостных элементов. Коэффициент усиления и цепь обратной связи.

    курсовая работа [327,1 K], добавлен 05.03.2011

  • Расчет напряжения, параметров элементов усилителя. Коэффициент передач электрических сигналов. Выбор марки транзисторов. Моделирование устройства в системе схемотехнического моделирования Electronics Workbench. Характеристики усилительных каскадов.

    курсовая работа [260,9 K], добавлен 24.11.2014

  • Расчет среднего времени безотказной работы системы методом статистического моделирования. Интенсивность отказов и вероятность безотказной работы элементов. Причины возникновения отличий вероятностей, вычисленных при аналитическом и статистическом методе.

    контрольная работа [531,0 K], добавлен 30.01.2013

  • Основные этапы интеграции отдельных физико-конструктивных элементов преобразователей. Интегральные тензопреобразователи на основе гетероэпитаксиальных структур "кремний на сапфире". Параметры мостовых тензорезисторных преобразователей давления.

    дипломная работа [1,2 M], добавлен 29.04.2015

  • Определение пределов варьирования коэффициента усиления методами "Максимума-минимума", "Наихудшего случая". Моделирование работы усилителя в программе OrCAD. Анализ ширины полосы пропускания УНЧ при вариациях номиналов элементов методом Монте-Карло.

    курсовая работа [2,9 M], добавлен 14.07.2012

  • Структурная схема реального радиопередающего устройства с пояснениями. Электрические расчеты режимов и элементов оконечного каскада. Конструкторский расчет элементов оконечной ступени. Назначение всех элементов принципиальной схемы радиопередатчика.

    курсовая работа [928,2 K], добавлен 24.04.2009

  • Комплементарные МДП-схемы интегральных микросхем и построение их логических элементов: динамическая мощность и составляющие элементов с вентильным и блокирующим КМДП-транзисторами. Упаковка транзисторов в кристаллах микропроцессорных технологий.

    реферат [1,5 M], добавлен 12.06.2009

  • Создание модели антенны и оптимизация ее конструкции. Свойства антенны горизонтальной поляризации с учетом свойств поверхности земли в направлении максимального КНД и влияние диаметра проводников симметричного вибратора на рабочую полосу частот.

    курсовая работа [1,0 M], добавлен 23.02.2016

  • Структурная схема передатчика. Электрические расчеты режимов и элементов оконечного каскада. Расчет параметров штыревой антенны. Конструкторский расчет элементов оконечной ступени. Назначение всех элементов принципиальной схемы радиопередатчика.

    курсовая работа [5,3 M], добавлен 24.04.2009

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.