Файл: Кафедра конструирования электронных средств.docx

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования

«Южный Федеральный университет»

Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения

Кафедра конструирования электронных средств

К защите допустить: Руководитель образовательной программы Смирнов Владимир Александрович (ФИО) «____» ______________ 2021 г.

К защите допустить: И.о. зав. кафедрой КЭС Смирнов Владимир Александрович (ФИО) «____»______________ 2021 г.

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

по направлению 11.04.03 «Конструирование и технология электронных средств»

на тему: «Разработка и исследование планарной структуры перовскитного солнечного элемента методом численного моделирования»

Руководитель выпускной квалификационной работы:	Саенко Александр Викторович к.т.н., доцент каф. КЭС (фамилия, имя, отчество, должность, ученая степень и звание) __________________________ (подпись) «____» ________________________ 2021 г.
Студент:	Шейко Анна Александровна (фамилия, имя, отчество, должность, ученая степень и звание) __________________________ (подпись) «____» ________________________ 2021 г.

Таганрог 2021 г.

Шейко Анна Александровна гр. ЭПмо 2.2 Разработка и исследование планарной структуры перовскитного солнечного элемента методом численного моделирования Магистерская диссертация, с. ИНЭП ЮФУ, г. Таганрог, 2021 г.

Аннотация

Выпускная квалификационная работа посвящена разработке и исследованию планарной структуры перовскитного солнечного элемента с использованием метода численного моделирования. Для этого разработана модель в программе численного моделирования SCAPS-1D. Выполнено моделирование перовскитного солнечного элемента со структурой Glass/ITO/TiO

---

₂/CH₃NH₃PbI₃/Cu₂O. Проведено исследование влияния толщины и концентрации дефектов в слое перовскита метиламмоний йодида свинца (CH₃NH₃PbI₃)_, а также работы выхода из различных материалов тыльного контакта на фотоэлектрические характеристики солнечного элемента. Разработан технологический маршрут изготовления перовскитного солнечного элемента.

UDC 621.383.4 Kupchenko Galina Vadimovna gr. EPmo 2-1 Development and research of perovskite solar cells using numerical simulation methods Master’s dissertation, 79 p, INEP SFU, Taganrog, 2020

Аnnotation
The final qualification work is devoted to the development and study of the planar structure of a perovskite solar cell using the method of numerical simulation. For this, a model has been developed in the SCAPS-1D numerical simulation program. A simulation of a perovskite solar cell with the Glass / ITO / TiO₂ / CH₃NH₃PbI₃ / Cu₂O structure has been performed. The effect of the thickness and concentration of defects in the methylammonium lead iodide (CH₃NH₃PbI₃) perovskite layer, as well as the work function of various materials of the rear contact, on the photoelectric characteristics of a solar cell has been studied. A technological route for the manufacture of a perovskite solar cell has been developed.

---

Содержание

Введение

Перовскитные солнечные элементы считаются наноустройством, потому что это тонкая пленка, которая состоит из нескольких слоев. Общая толщина устройства — тонкая пленка на носителе, например, на стекле, ее толщина составляет менее двух микрометров. Центральный слой — это слой перовскита, он поглощает свет. Над ним и под ним расположены тонкие слои электронно-дырочных проводящих слоев, которые селективно вытаскивают, экстрагируют из перовскитного слоя фотоиндуцированные носители зарядов, которые образовались под действием света. Все эти слои имеют толщину порядка от десятков до всего лишь нескольких сотен нанометров. И формирование таких тонких пленок равномерной, одинаковой морфологии и с одинаковыми свойствами на больших поверхностях — это крайне сложная, нанотехнологическая задача.

В качестве главного фактора, который влияет больше всего на характеристики перовскитовых солнечных элементов, может выступать кристаллическая структура металлоорганического перовскита CH₃NH₃PbI₃, поскольку она влияет на поглощение света и перенос носителей заряда. Низкая степень кристалличности тонкой пленки перовскита и наличие дефектов кристаллической решетки вследствие постепенного процесса кристаллизации препятствуют переносу носителей заряда. Чтобы повысить характеристики данных солнечных элементов необходима разработка способов создания сплошных, однородных слоев перовскита с высоким кристаллическим совершенством

---

.

1. Аналитический обзор литературы

1.1 История развития солнечные элементы

Каждый шаг в нашей жизни и любой вид деятельности такие как: приготовление пищи, освещение дома и улицы, открытие колледжа или больницы, управление транспортным средством или фабрикой и т. д., мы нуждаемся в энергии. Таким образом, энергия является чрезвычайно важным фактором для улучшения качества жизни всех и каждого.

Население всего мира, уровень жизни, отрасли растут и, следовательно, растет спрос на энергию. В мире основным источником энергии является энергия ископаемого топлива, но это вносит существенный вклад в изменение климата и глобального потепления.

В докладе по ядерной энергетике за 2014 год написано, что «доля ядерной энергии в мировой энергетике стремительно снижается. В 1996 году было 17,6%, а в 2013 году 10, 8%». В 31 странах мира располагается 190 атомных электростанций с 443 энергоблоками вырабатывают приблизительно 333 ГВт. Эти данные указывают на то, что она не может удовлетворить текущую потребность в энергии. А солнечная энергия неисчерпаема, доступна, неопасна и не наносит вреда окружающей среде. Фактически возможная мощность выработки электроэнергии от солнечного света в 1000 раз выше, чем текущая мировая потребность в энергии.

Более того, выработка фотоэлектричества за один день достаточна на один год использования даже менее эффективного фотоэлектрического солнечного элемента. Таким образом, солнечный элемент – это лучший вариант для разрешения будущего спроса на энергию и предотвращения мирового кризиса.

Таким образом, актуальной задачей является поиск альтернативного источника чистой энергии, возобновляемой и устойчивой, для замены ископаемого топлива.

Солнечная энергия является бесконечным и чистым видом энергии, которая может быть преобразована во многие другие категории энергии для различных требований. По сравнению с другими возобновляемыми видами энергии, такими как гидроэнергетика, энергия ветра, биоэнергетика, геотермальная и ядерная энергия. Солнечная энергия является наиболее доступным и богатым видом.

Еще с древних времен люди задумывались о том, как можно применять солнечную энергию в быту. Согласно истории, греческий ученый Архимед сжег неприятельский флот, который осадил его родной город Сиракузы

---

, используя систему зажигательных зеркал. Чуть позже известно, что 3000 лет назад дворец в Турции топили водой, которая была нагрета при помощи солнечной энергии.

После этого большой популярностью начали пользоваться опыты с увеличительными стеклами и зеркалами. Так называемый «солнечный бум» произошел в XVIII столетии. Ж. Бюффон был первый кто открыл солнечные нагреватели во Франции. Он создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные лучи. Это зеркало при прямом потоке солнечных лучей быстро могло воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 метров. Через пару лет шведский ученый Н. Соссюр создал первый водонагреватель (деревянный ящик со стеклянной крышкой). Однако, вода, в этом ящике нагревалась солнцем до 88°С. В 1774 году, в Англии по чертежам А. Лавуазье впервые отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, которое расплавляло гранит за минуту, а чугун за 3 секунды.

Солнечные батареи, которые могли преобразовывать солнечную энергию в механическую, были открыты во Франции. В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже О. Мушо продемонстрировал инсолятор - аппарат, который с помощью зеркал фокусировал лучи на паровом котле. Котел запускал печатную машину, которая печатала по 500 оттисков газеты в час.

С каждым годом технологии работы инсоляторов совершенствовались, однако, принцип оставался прежним: солнце - вода - пар.

Настоящий прорыв произошел в 1953 году ученые Национального аэрокосмического агентства США создали первую настоящую солнечную батарею. Это устройство преобразовывало энергию солнца в электрическую энергию.

Солнечная батарея – это несколько объединенных фотоэлементов (фотоэлектрических преобразователей) - полупроводниковых устройств, которые преобразуют солнечную энергию в постоянный ток.

Солнечные коллекторы применяются для производства электричества из солнечной энергии, а собранную тепловую энергию потом можно использовать для вырабатывания электричества.

Производство фотоэлектрических элементов и солнечных коллекторов развивается довольно быстро и в разных отраслях. Солнечные батареи изобретаются разного размера: от встраиваемых в микрокалькуляторы, до занимающих крыши автомобилей и зданий.

Солнечный элемент является важным устройством преобразования солнечной энергии. Опытный образец был изготовлен с использованием монокристаллического кремния в BellLabs, эффективность преобразования энергии которого составляла 6% в 1954 году. Первый коммерческий кремниевый фотоэлемент произведен в 1955 г. с эффективностью в 2%. Из-за высокой стоимости, очень немногие люди могли себе позволить использовать солнечную батарею для домашнего применения, но постепенно данная технология стала широко использоваться в повседневной жизни, в период после 1973 года. Новый тип солнечных элементов с низкой стоимостью изготовления и эффективностью 10% был создан на базе Института преобразования энергии Университета штата Делавэр в 1980 году. В 1982 году поликремневые солнечные элементы начали широко производиться на мощностях Kyocera Corporation. В 1991 году Майкл Грацель и Брайан О’Реган представили миру новый тип солнечного элемент, который назывался сенсибилизированный красителем солнечный элемент (DSSCs), и уменьшили стоимость изготовления на 50% по

---