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 20.05.2012Этапы 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 16.07.2010Изучение 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 08.01.2016Среднее 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 12.06.2010Рассмотрение 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 10.10.2015Обзор 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 21.02.2012Возможности 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 24.12.2010Разработка 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 12.01.2009Математические 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 03.03.2009Моделирование 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 27.12.2012Понятие 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 12.11.2014Изучение 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 05.03.2011Расчет 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 24.11.2014Расчет 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 30.01.2013Основные 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 29.04.2015Определение 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 14.07.2012Структурная 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 24.04.2009Комплементарные 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 12.06.2009Создание 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 23.02.2016Структурная 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