ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.02.2024
Просмотров: 48
Скачиваний: 0
СОДЕРЖАНИЕ
1. Аналитический обзор литературы
1.1 История развития солнечные элементы
1.2 Солнечные элементы и их основные параметры
1.3 Перовскитовые солнечные элементы
1.4 Метод магнетронного напыления
1.7 Теоретические основы численного моделирования
1.8 Программа численного моделирования SCAPS-1D
2. Разработка модели перовскитного солнечного элемента
2.1 Сравнение различных материалов
2.2 Сравнение различных тыльных контактов
3. Моделирование характеристик и параметров
3.1 Численный метод моделирования
3.2 Исследование влияния толщины перовскита на эффективность солнечного элемента
4. Разработка технологии изготовления перовскитного солнечного элемента
(1.23)
Рекомбинация представляет собой процесс, когда пара электронов и дырок рекомбинируют во время переход от высокого энергетического уровня к низкому, причем в результате энергия переносится к третьему носителю. Данная рекомбинация описывается согласно уравнению:
(1.24)
где, R - является скорость рекомбинации, γ - коэффициент рекомбинации, τn и τt - время существования электронов и дырок, n0 и p0 -равновесная концентрация электронов и дырок, и - константы, которые могут быть заданы в SCAPS.
Рабочая функция
Под рабочей функцией понимают минимальную энергию, необходимую для перемещения электрона. Значение функции используется для описания энергии электрона в материале. В SCAPS, работа может быть установлена пользователем, или она может быть вычислена, используя модель в SCAPS, как показано в уравнении 1.25-1.26
контакт n-типа:
(1.25)
контакт р-типа:
(1.26)
Коэффициент поглощения
Коэффициент поглощения может быть определен как степень, в которой материал поглощает энергию. Это определяется свойствами материала. В SCAPS, коэффициент поглощения задается уравнением 1.18
(1.27)
где А и В представляют собой константы поглощения, h - постоянная Планка, v - это скорость света [25].
1.8.1 Оценка моделей в SCAPS-1D
В SCAPS параметр классификации является важной функцией, которая может сделать модель более гибкой. Предполагается, что каждый слой имеет состав . Если слой только из чистого соединения А, это означает, что у = 0, у = 1 Когда слой только из чистого соединения B. Если слой содержит оба соединения А и В, то значение у между 0 и 1. Свойства материала P являются зависимостью, которая может выражается как Р(у(х)). SCAPS имеет в базе несколько законов сортировки, которые перечислены ниже [24], и эти законы могут быть определены в выборе сортировки.
Равномерное:
Линейный:
Параболический:
Параболический вариант 2:
Логарифмические:
Экспоненциальный:
Бета-функция:
1.8.2 Теория работы программы
Основная теория SCAPS-1D состоит в решении уравнения непрерывности Пуассона. Рисунок 1.13 показывает рабочую стратегию SCAPS-1D. Каждое вычисление начинается с начальной точки, и использует начальное предположение, что выражается с использованием уровней квази-Ферми, для получения состояния равновесия.
Рисунок 1.13 - Рабочая стратегия SCAPS-1D
Сходимость итерационной схемы Gummel типа с помощью алгоритма Ньютона-Рафсона используется в SCAPS для численных расчетов. После того, как точка расчета устанавливается, SCAPS будет следовать алгоритму Ньютона-Рафсона и проводить итерации вычисления до получения оптимизированного значения.
2. Разработка модели перовскитного солнечного элемента
Построение структуры солнечного элемента с улучшенными эксплуатационными характеристиками и свойствами материала является одной из важных задач при разработке архитектуры солнечного элемента. Существуют разные факторы, влияющие на эффективность солнечного элемента. Их всего шесть:
1. Процент электромагнитной энергии, поступающий в поглотитель, который в дальнейшем солнечный элемент преобразует в электричество;
2. Типы материалов, поскольку разные материалы имеют разные коэффициенты поглощения и ширину запрещенной зоны и, следовательно, различную максимальную эффективность;
3. Структура материала или полупроводника;
4. Толщина поглощающего слоя. Слишком тонкий или слишком толстый слой. Оба не подходят для хорошего фотоэлектрического действия. В первом случае толщина может быть недостаточной для диффузии носителей заряда, тогда как во втором случае это увеличивает стоимость и снижает эффективность;
5. Количество света, достигающего поглощающий материал, то есть коэффициент отражения, коэффициент пропускания и коэффициент поглощения материала;
6. Температура влияет на материалы (если она превышает комнатную).
В основном галогенид органические перовскитные материалы используются для производства перовскитных солнечных элементов. К примеру, перовскитный солнечный элемент с слоем поглотителя CH3NH3PbI3 достиг 22% в 2016 году. Однако было выяснено, что материал такого типа не обладает долговременной стабильностью. Кроме того, этот материал считается токсичным и может быть опасен для здоровья и окружающей среды, поскольку в составе присутствует свинец.
Простейшей структурой была плоская гетеропереходная PSC из-за отсутствия высокотемпературных обработанных мезопористых слоев (Jung and Park, 2015). Планарная PSC не содержит мезопористых слоев по сравнению с мезопористым структурированным PSC, поэтому процесс изготовления намного проще.
При помощи численного моделирования можно изучить устройства солнечных элементов. Перовскитные солнечные элементы с плоской структурой имеют аналогичную структуру и тип возбуждения что и тонкопленочные солнечные элементы.
Учеными было исследовано устройство на основе поглощающего слоя CH3NH3PbI3, где достигнутая эффективность составила 21,55 %.
В данном разделе представлена численная модель перовскитного солнечного элемента со структурой Cтекло/ITO/TiO2/CH3NH3PbI3/Cu2O/C которая построена с использованием программного обеспечения SCAPS-1D.
Рисунок 2.1 – Структура солнечного элемента
В перовскитной структуре полупроводникового солнечного элемента использовались в качестве фотоактивного материала галогенид метиламмоний йодида свинца (CH3NH3PbI3) в качестве поглощающего слоя, в качестве материала для переноса дырок (HTM) и в качестве материала для переноса электронов (ЕTM). ITO был применен в качестве переднего контакта для перовскитного солнечного элемента.
Для определения задачи в программе введены слои структуры перовскита. Рабочий механизм солнечных элементов может генерировать электричество из солнечного света, используя фотоэлектрический эффект, который является физическим и химическим явлением. Когда солнечный элемент подвергается воздействию света, часть фотона с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, поглощается полупроводником. Поглощенные фотоны с достаточной энергией возбуждения могут вызывать перенос электронов и дырок; электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне движутся внутрь разные направления. Базовая настройка определяется светом или темное освещением.
Рисунок 2.2 – Моделирование SCAPS-1D
Рисунок 2.3 – Параметры слоя поглотителя в SCAPS-1D
Рисунок 2.4 – Параметры для слоя переноса дырок в SCAPS-1D
Рисунок 2.5 – Параметры для слоя переноса электронов в SCAPS-1D
Рисунок 2.6 – Параметры для ITO
SCAPS-1D является программой одномерного численного моделирования солнечных элементов. В основу SCAPS-1D положена нестационарная диффузионно-дрейфовая система уравнений полупроводника, в которую входят уравнения непрерывности и уравнение Пуассона [11-15]:
где n, p – концентрация электронов и дырок; μn, μp – подвижности электронов и дырок; φ – электрический потенциал; φt – температурный потенциал; q – элементарный заряд; ε – относительная диэлектрическая проницаемость; ε0 – диэлектрическая постоянная; G – скорость оптической генерации электронно-дырочных пар; R – скорость рекомбинации электронно-дырочных пар; ND, NA – концентрация донорной и акцепторной легирующей примеси; nt, pt – плотность ловушек для электронов и дырок. Значения параметров устройства и материалов, используемые в программе для моделирования приведены в таблице 2.1.
Для обеспечения оптимизации устройства требуется понимание механизма работы перовскитного солнечного элемента. Для планарной структуры солнечного элемента использовался ITO в качестве фронтального контакта, TiO2 – в качестве проводящего слоя n-типа, перовскит CH3NH3PbI3 – в качестве поглощающего (абсорбирующего) слоя, Cu2O – в качестве проводящего слоя p-типа и углеродного тыльного контакта.
Параметры материала каждого слоя были получены из литературы и обобщены в таблице 2.1
Таблица 2.1 – Параметры материалов для моделирования
Параметры | TiO2 | CH3NH3PbI3 | Cu2O |
Толщина (нм) | 50 | 400 | 250 |
Ширина запрещенной зоны Eg(эВ) | 3.2 | 1.55 | 2.17 |
Cродство к электрону ꭓ (эВ) | 4.3 | 3.93 | 3.2 |
Относительная диэлектрическая проницаемость ε | 9 | 6,5 | 7.1 |
Эффективная плотность состояний (см-3) | 2.0Е+18 | 1.0Е+18 | 2.50Е+18 |
Эффективная плотность состояний (см-3) | 1.8Е+20 | 1.0Е+18 | 1.80Е+19 |
Подвижность электронов | 1.0Е+2 | 1.6 | 2.0Е+2 |
Подвижность дырок | 2.5Е+1 | 1.6 | 8.0Е+2 |
Плотность акцепторов, NA (см-3) | 0 | 3.2Е+15 | 9.0Е+21 |
Плотность доноров, ND (см-3) | 1.0Е+17 | 0 | 0 |