en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-05-78-91
УДК: 621.38, 628.955, 620.92
Повышение эффективности солнечных элементов на основе перовскита CsSn0,5Ge0,5I3 с помощью наностержней ZnO
Полный текст «Оптического журнала»
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
Mehrabian M., Afshar E.N. Improving the efficiency of solar cell based on CsSn0.5Ge0.5I3 perovskite by using ZnO nanorods. Повышение эффективности солнечных элементов на основе перовскита CsSn0,5Ge0,5I3 с помощью наностержней ZnO [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 5. С. 78–91. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-05-78-91
Mehrabian M., Afshar E.N. Improving the efficiency of solar cell based on CsSn0.5Ge0.5I3 perovskite by using ZnO nanorods. Повышение эффективности солнечных элементов на основе перовскита CsSn0,5Ge0,5I3 с помощью наностержней ZnO [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 5. P. 78–91. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-05-78-91
Masood Mehrabian and Elham Norouzi Afshar, "Improving the efficiency of solar cells based on CsSn0.5Ge0.5I3 perovskite by using ZnO nanorods," Journal of Optical Technology. 89(5), 302-311 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000302
Предмет исследования. Экологически чистые, не содержащие свинца перовскиты на основе оловянных и германиевых галогенидов в настоящее время привлекают внимание исследователей как возможные материалы для создания солнечных элементов. Однако их ограниченная эффективность преобразования энергии препятствует широкому использованию. Предлагается использовать материалы со структурой Оксид In и Sn/Слой переноса электронов/Перовскит/Слой переноса дырок/Ag, обладающей более высокой эффективностью преобразования энергии. В изложенных в статье исследованиях моделировались подобные структуры с различными слоями поглотителя. Моделирование фотоэлектрических характеристик солнечных элементов с перовскитами CsGeI3 и CsSnI3 в качестве поглощающего слоя проводилось с использованием специализированного программного обеспечения SCAPS-1D. Методология. Использованная программа моделирования емкости солнечных элементов SCAPS представляет собой одномерную платформу, разработанную на кафедре электроники и информационных систем Университета Гента, Бельгия. Основные результаты. Было исследовано влияние толщины слоя поглотителя на эффективность преобразования энергии, при этом в случае перовскита CsGeI3 наибольшая эффективность преобразования энергии, равная 10,51%, была получена при толщине слоя 1000 нм, в то время как в случае CsSnI3 наибольшее ее значение 12,83% соответствовало толщине 400 нм. Для дальнейшего повышения эффективности работы солнечного элемента исследовались устройства с альтернативным перовскитом CsSn0,5Ge0,5I3, включающим дополнительно слой ZnO и массив наностержней ZnO в качестве слоев переноса электронов, при этом толщина слоя поглотителя была оптимизирована для обоих устройств. В результате были получены значения эффективности преобразования энергии, равные 17,56 и 22,61% для устройств с пленкой ZnO и наностержнями ZnO соответственно. Результаты моделирования показали перспективность использования рассмотренного перовскита для создания экологически чистого солнечного элемента. Практическая значимость. Основной результат работы заключается в получении достаточно высокой эффективности преобразования энергии 22,61% для солнечного элемента на основе экологически чистого перовскита. Аналогичная работа была проделана в 2021 г. под руководством M. Azadinia, по результатам который сообщалось о полученной эффективности преобразования энергии 26,9% для устройства с перовскитом CsSn1–xGexI3.
перовскит, CsGeI3, CsSnI3, CsSn0,5Ge0,5I3, наностержни ZnO
Коды OCIS: 250.0250
Список источников:1. Azadinia M., Ameri M., Ghahrizjani R. T., and Fathollahi M. Maximizing the performance of single and multijunction MA and lead-free perovskite solar cell // Mater. Today Energy. 2021. V. 20. P. 100647.
2. Sachchidanand G.V., Kumar A., and Sharma P. Numerical simulation of novel lead-free Cs3Sb2Br9 absorberbased highly efficient perovskite solar cell // Opt. Mater. 2021. V. 122. P. 111715.
3. Sahli F., Werner J., Kamino B.A., Bräuninger M., Monnard R., Paviet-Salomon B., Barraud L., Ding L., Diaz Leon J.J., Sacchetto D., Cattaneo G., Despeisse M., Boccard M., Nicolay S., Jeangros Q., Niesen B., and Ballif C. Fully textured monolithic perovskite/silicon tandem solar cells with 25.2% power conversion efficiency // Nat. Mater. 2018. V. 17. № 9. P. 820–826.
4. Khadka D.B., Shirai Y., Yanagida M., and Miyano K.Tailoring the film morphology and interface band offset of caesium bismuth iodide-based Pb-free perovskite solar cells // JMCC. 2019. V. 7. № 9. P. 8335–8343.
5. Johansson M.B., Zhu H., and Johansson E.M.J. Extended photo-conversion spectrum in low-toxic bismuth halide perovskite solar cells // J. Phys. Chem. Lett. 2016. V. 7. № 17. P. 3467–3471.
6. Roknuzzaman M., Ostrikov K., Wang H., Du A., and Tesfamichael T. Towards lead-free perovskite photovoltaics and optoelectronics by ab-initio simulations // Sci. Rep. 2017. V. 7. № 1. P. 14025.
7. Kopacic I., Friesenbichler B., Hoefler S.F., Kunert B., Plank H., Rath T., and Trimmel G. Enhanced performance of germanium halide perovskite solar cells through compositional engineering // ACS Appl. Energy Mater. 2018. V. 1. № 2. P. 343–347.
8. Raj A., Kumar M., Bherwani H., Gupta A., and Anshul A. Evidence of improved power conversion efficiency in lead-free CsGeI3 based perovskite solar cell heterostructure via scaps simulation // J. Vac. Sci. Technol. B. 2020. V. 39. № 1. P. 012401.
9. Krishnamoorthy T., Ding H., Yan C., Leong W.L., Baikie T., Zhang Z., Sherburne M., Li S., Asta M., Mathews N., and Mhaisalkar S.G. Lead-free germanium iodide perovskite materials for photovoltaic applications // J. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. № 47. P. 23829–23832.
10. Chen L.J. Synthesis and optical properties of lead-free cesium germanium halide perovskite quantum rods // RSC Adv. 2018. V. 8. № 33. P. 18396–18399.
11. Chen Z., Wang J.J., Ren Y., Yu C., and Shum K. Schottky solar cells based on CsSnI3 thin-films // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 101. № 9. P. 093901.
12. Zhu P., Chen C., Gu S., Lin R., and Zhu J. CsSnI3 solar cells via an evaporation-assisted solution method // Sol. RRL. 2018. V. 2. № 9. P. 1700224.
13. Song T.-B., Yokoyama T., Logsdon J., Wasielewski M.R., Aramaki S., and Kanatzidis M.G. Piperazine suppresses self-doping in CsSnI3 perovskite solar cells // ACS Appl. Energy Mater. 2018. V. 1. № 8. P. 4221–4226.
14. Ameri M., Ghaffarkani M., Ghahrizjani R.T., Safari N., and Mohajerani E. Phenomenological morphology design of hybrid organic-inorganic perovskite solar cell for high efficiency and less hysteresis // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2020. V. 205. P. 110251.
15. Ahmadi S.H., Ghaffarkani M., Ameri M., Safari N., and Mohajerani E. Solvent selection for fabrication of low temperature ZnO electron transport layer in perovskite solar cells // Opt. Mater. 2020. V. 106. P. 109977.
16. Burgelman M., Nollet P., and Degrave S. Modelling polycrystalline semiconductor solar cells // Thin Solid Films. 2000. V. 361. № 1–2. P. 527–532.
17. Burgelman M., Decock K., Niemegeers A., Verschraegen J., and Degrave S. SCAPS manual. 2016.
18. Ye T., Wang K., Hou Y., Yang D., Smith N., Magill B., Yoon J., Mudiyanselage R.R.H.H., Khodaparast G.A., Wang K., and Priya S. Ambient-air-stable lead-free CsSnI3 solar cells with greater than 7.5% efficiency // J. Am. Chem. Soc. 2021. V. 143. № 11. P. 4319–4328.
19. Agarwal S., Nair P.R. Device engineering of perovskite solar cells to achieve near ideal efficiency // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 107. № 12. P. 123901.
20. Alam I., Ashraf M.A. Effect of different device parameters on tin-based perovskite solar cell coupled with In2S3 electron transport layer and CuSCN and Spiro-OMeTAD alternative hole transport layers for highefficiency performance // Energy Sources. 2020. Part A. P. 1–17.
21. Hussain S.S., Riaz S., Nowsherwan G.A., Jahangir K., Raza A., Iqbal M.J., Sadiq I., Hussain S.M., and Naseem S. Numerical modeling and optimization of lead-free hybrid double perovskite solar cell by using SCAPS-1D // J. Renewable Energy. 2021. P. 6668687.
22. Palummo M., Varsano D., Berríos E., Yamashita K., and Giorgi G. Halide Pb-free double–perovskites: Ternary vs quaternary stoichiometry //Energies. 2020. V. 13. № 14. P. 3516.
23. Huang L.-Y., Lambrecht W.R.L. Vibrational spectra and nonlinear optical coefficients of rhombohedral $\mathrm{CsGe}{X}_{3}$ halide compounds with $X=\mathrm{I}$, Br, Cl // Phys. Rev. B. 2016. V. 94.
№ 14. P. 115202.
24. Sani F., Shafie S., Lim H.N., and Musa A.O. Advancement on lead-free organic-inorganic halide perovskite solar cells: A review // Materials. 2018. V. 11. № 6. P. 1006.
25. Alam I., Mollick R., and Ashraf M.A. Numerical simulation of Cs2AgBiBr6-based perovskite solar cell with ZnO nanorod and P3HT as the charge transport layers // Phys. B. 2021. V. 618. P. 413187.
26. Tan K., Lin P., Wang G., Liu Y., Xu Z., and Lin Y. Controllable design of solid-state perovskite solar cells by SCAPS device simulation // Solid-State Electron. 2016. V. 1100. № 126. P. 75–80.
27. Mohd Shariff N.S., Mohamad Saad P.S., and Mahmood M.R. Capacitance voltage of P3HT: Graphene nanocomposites based bulk-heterojunction organic solar cells // IOP Conf. Series. Mater. Sci. Eng. 2015. V. 99. № 1. P. 012005.
28. Mauk P.H., Tavakolian H., and Sites J.R. Interpretation of thin-film polycrystalline solar cell capacitance // IEEE Trans. Electron Devices. 1990. V. 37. № 1. P. 422–427.