Файл: Кафедра конструирования электронных средств.docx

Тепловая скорость электронов и дырок составляет 10⁷ см/с. Моделирование проводится при освещенности 1000 Вт/м², температуре 300 К и массе воздуха 1,5 G. Напряжение на солнечном элементе устанавливается от 0 В до 1,2 В.

Таблица 2.2 - Основные параметры элемента

№ п/п	Параметры	Фронтальный контакт	Тыльный контакт
1	Поверхностная рекомбинация электронов (см/с)	105	105
2	Поверхностная рекомбинация дырок (см/с)	107	107
3	Работа выхода из металла эВ	4,7	5
4	Высота барьера для основных носителей заряда относительно EF (эВ)	0,32	0,4
5	Высота барьера для основных носителей заряда относительно EV или EC (эВ)	0,37	0,29

Подвижность дырок и ширина запрещенной зоны являются двумя наиболее важными параметрами, которые необходимо рассматривать в качестве критериев при выборе слоя НТМ.

Таблица 2.3 - Параметры, используемые при моделировании

№ п.п	Параметры	Условное обозначение	Значение
1	Температура	Т	300 K
2	Толщина перовскита	L	400 нм
3	Ширина запрещенной зоны		1,3 эВ
4	Коэффициент поглощения		1.0Е+5
5	Плотность состояния		1.0Е+16
6	Относительная диэлектрическая проницаемость		10
7	Подвижность электронов		1.6 /Vs
8	Подвижность дырок		1.6 /Vs

---

---

2.1 Сравнение различных материалов

При разработке структуры солнечного перовскитного элемента были созданы модели в программе SCAPS-1D с различными структурами ITO / TiO₂ / CH₃NH₃PbI / Spiro-OMeTAD/ Au и Glass/ITO/TiO₂/CH₃NH₃PbI₃/Cu₂O. Чтобы выбрать наиболее производительный материал для НТМ слоя были рассмотрены два полупроводника Сu₂O и Spiro-OMeTAD. . Они имеют относительно большую ширину запрещенной зоны. Энергия запрещенной зоны Сu₂O -2,17 эВ, а у Spiro-OMeTAD- 2,9 эВ. Чтобы уменьшить потери энергии и получить высокую производительность, необходимо иметь небольшую валентную зону смещения (-0,2 эВ до 0,2 эВ) между НТМ слоем и слоем перовскита. Кроме того, Сu₂O проявляет высокую подвижность дырок до 80 см²В^-1с^-1, по сравнению с органическими материалами (Spiro-MeOTAD – 0,0001 cм²В^-1с^-1) [33]. Коэффициент поглощения для каждого слоя составлял 105 см^-1 при стандартном спектре плотности потока фотонов AM1.5G. Толщина перовскитного слоя варьировалась от 400 до 700 нм. Основные физические параметры материалов, используемые при моделировании солнечного элемента, приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - Физические параметры для материалов HTM слоя

Параметры	Spiro-OMeTAD	Cu2O
Толщина (нм)	250	250
Плотность акцепторов. NA (см-3)	1019	1018
Плотность доноров, ND (см-3)	–	–
Ширина запрещенной зоны, Eg (эВ)	2,9	2,17
Сродство к электрону, χ (эВ)	2,2	3,2
Относительная диэлектрическая проницаемость, ε	3	7,11
Эффективная плотность зоны проводимости NC (см-3)	2,2·1018	2,2·1018
Эффективная плотность валентной зоны, NV(см-3)	1,8·1019	1,8·1019
Подвижность электронов µn(см2/В·с)	10-4
Подвижность дырок, µp (см2/В·с)	10-4	80/80
Плотность дефектов Nt (см-3)	1015	1015

---

На рисунке представлены вольт-амперные характеристики, полученные в результате моделирования структур солнечных элементов с дырочным проводящим слоем Spiro-OMeTAD и Cu₂О. Показано, что солнечный элемент с дырочным проводящим слоем Cu₂O обладает лучшими параметрами по сравнению со слоем Spiro-OMeTAD и имеет эффективность (η) равную 20,47%.



Рисунок 2.7 – ВАХ для Сu₂O и Spiro-OMeTAD в качестве НТМ слоя

Результаты работы структур приведены в таблице 2.5, учитывая перовскитный слой толщиной 400 нм, плотность валентной зоны состояния 1*10¹⁸ см^-3, а плотность дефектов 1*10¹² см^-3.

Таблица 2.5 – Производительность устройств для разных НТМ слоев.

Материал	Isc мА/см3	Voc B	FF %	КПД %
Cu2О	24,01	1,128	80,67	21,87
Spiro-OMeTAD	30.928	0.8107	65.33	16.38

Исходя из результатов моделирования можно сказать что модель с Сu₂O в качестве НТМ слоя показывает КПД 21.87% и значение спросить I_sc 24.01 мА/см³, а также V_oc 1.128 B, нежели модель с Spiro-OMeTAD в качестве НТМ слоя.

Когда подвижность дырок у Spiro-OMeTAD увеличивается до 5е^-3см²/Вс, КПД доходит до максимального значения 16.38 % и стабилизируетcя.

В этой работе мы использовали оксид одновалентной меди (Сu₂O) в качестве НТМ-слоя, потому что сравнение двух материалов показало, что неорганический материал Сu₂O имеет лучшую производительность, чем Spiro-OMeTAD.

---

2.2 Сравнение различных тыльных контактов

Производительность моделируемых солнечных элементов увеличивается с увеличением работы выхода, но после определенного значения она насыщается. С увеличением работы выхода металла высота барьера уменьшается из-за изгиба зон на границе раздела металл-полупроводник. По мере того как работа выхода металла увеличивается,  V_oc становится больше. Следовательно, эффективность солнечного элемента перовскита также возрастает. Энергетически невыгодно, чтобы дырки продвигались к электрону, потому что электрическое поле вблизи HTM тыльного контакта станет отрицательным. По этой причине можно ожидать, что более низкая рабочая функция ответственна за более низкую эффективность

Для подтверждения адекватности и точности результатов моделирования была создана модель солнечного элемента в программе SCAPS-1D со структурой ITO / TiO2 (50 нм) / CH₃NH₃PbI₃-xClx (400 нм) / Spiro-OMeTAD (250 нм) / Au и проведено сравнение результатов моделирования её характеристик с экспериментальными данными, представленными в работе [21]. Результаты моделирования показывают близкое совпадение с экспериментальными данными

Таблица 2.6 - Теоретические и экспериментальные параметры солнечных элементов

	Jкз, мА/см3	Vхх,В	FF, %	η, %
ITO/TiO2/ CH3NH3PbI3-xClx/ Spiro-OMeTAD/Au (эксп. [17])	22,75	1,13	75,01	19,30
ITO/TiO2/ CH3NH3PbI3-xClx/ Spiro-OMeTAD/Au (теор.)	22,39	1,12	76,21	19,19
ITO/TiO2/ CH3NH3PbI3-xClx/ Cu2O/Au (теор.)	22,53	1,12	80,79	20,47

---