ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.02.2024
Просмотров: 38
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
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
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.
Проведено исследование влияния толщины и концентрации дефектов слоя перовскита CH3NH3PbI3, а также толщины, концентрации акцепторов и подвижности дырок в слое Cu2O на фотоэлектрические характеристики солнечного элемента. Получено, что оптимальная толщина слоя перовскита составляет 600-700 нм, а концентрация дефектов должна быть менее 1014 см-3. Увеличение толщины слоя Cu2O от 50 нм до 500 нм не оказывает существенного влияния на эффективность солнечного элемента, при этом оптимальная концентрация акцепторов в слое Cu2O составляет 1018-1019 см-3, а подвижность дырок должна быть более 0,1 см2/В·с.
Показано, что работа выхода материала тыльного контакта должна быть больше или равна 5 эВ для создания солнечных элементов с высокой эффективностью. Получена максимальная эффективность 21,55 % (ток короткого замыкания 24,87 мА/см2, напряжение холостого хода 1,1 В, фактор заполнения 78,82 %) для структуры перовскитного солнечного элемента с углеродным (С) тыльным контактом.
1. Hobeom Kim, Kyung-Geun Lim, Tae-Woo Lee. Planar heterojunction organometal halide perovskite solar cells: roles of interfacial layers // Energy and Environmental Science. 2016. Vol. 9. P. 12-30.
2. Hyun Suk Jung, Nam-Gyu Park. Perovskite Solar Cells: From Materials to Devices // Small. 2015. Vol. 11. P. 10-25.
3. Weifu Sun, Kwang-Leong Choy, Mingqing Wang. The Role of Thickness Control and Interface Modification in Assembling Efficient Planar Perovskite Solar Cells // Molecules. 2019. Vol. 24. P. 3466-3480.
4. Tejas S. Sherkar, Cristina Momblona, Lidon Gil-Escrig, Jorge Avila, Michele Sessolo, Henk J. Bolink, L. Jan Anton Koster. Recombination in Perovskite Solar Cells: Significance of Grain Boundaries, Interface Traps, and Defect Ions // ACS Energy Letters, 2017. Vol. 2. P. 1214-1222.
5. Mingzhen Liu, Michael B. Johnston, Henry J. Snaith. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition // Nature. 2013. Vol. 501. P. 393-398.
6. Svetlana Sirotinskaya, Roland Schmechel, Niels Benson. Influence of the cathode microstructure on the stability of inverted planar perovskite solar cells // RSC Advances. 2020. Vol. 10. P. 23653-23661.
7. Stefaan De Wolf, Jakub Holovsky, Soo-Jin Moon, Philipp Loper, Bjoern Niesen, Martin Ledinsky, Franz-Josef Haug, Jun-Ho Yum, Christophe Ballif. Organometallic Halide Perovskites: Sharp Optical Absorption Edge and Its Relation to Photovoltaic Performance // J. Phys. Chem. Lett. 2014. Vol. 5. P. 1035-1039.
8. Tominov R.V., Vakulov Z.E., Avilov V.I., Khakhulin D.A., Fedotov A.A., Zamburg E.G., Smirnov V.A., Ageev O.A. The effect of growth parameters on electrophysical and memristive properties of vanadium oxide thin films // Molecules. 2021. Vol. 26. P. 118.
9. Tominov R.V., Vakulov Z.E., Avilov V.I., Khakhulin D.A., Polupanov N.V., Smirnov V.A., Ageev O.A. Synthesis and memristor effect of a forming-free ZnO nanocrystalline films // Nanomaterials. 2020. Vol. 10. P. 1007.
10. Vakulov Z., Geldash A., Khakhulin D., Il'ina M.V., Il'in O.I., Klimin V.S., Dzhuplin V.N., Konoplev B.G., He Z., Ageev O.A. Piezoelectric Energy Harvester Based on LiNbO3 Thin Films // Materials. 2020. Vol. 13. P. 3984.
11. D.A. Kudryashov, A.S. Gudovskikh, A.V. Babichev, A.V. Filimonov, A.M. Mozharov, V.F. Agekyan, E.V. Borisov, A.Yu. Serov, N.G. Filosofov. Nanoscale Cu2O Films: Radio-Frequency Magnetron Sputtering and Structural and Optical Studies // Semiconductors. 2017. Vol. 51. No 1. P. 111-115.
12. F. Behrouznejad, S. Shahbazi, N. Taghavinia, Hui-Ping Wud, Eric Wei-Guang Diau. A study on utilizing different metals as the back contact of CH3NH3PbI3 perovskite solar cells // J. Mater. Chem. A. 2016. Vol. 4. P. 13488-13498.
13. M. Burgelman, P. Nollet, S. Degrave. Modelling Polycrystalline Semiconductor Solar Cells // Thin Solid Films. 2000. Vol. 361-362. P. 527-532.
14. Minemoto T., Murata M. Device modeling of perovskite solar cells based on structural similarity with thin film inorganic semiconductor solar cells // J. of Appl. Phys. 2014. Vol. 116. P. 054505.
15. Yassine Raoui, Hamid Ez-Zahraouy, Najim Tahiri, Omar El Bounagui, Shahzada Ahmad, Samrana Kazim. Performance analysis of MAPbI3 based perovskite solar cells employing diverse charge selective contacts: Simulation study // Solar Energy. 2019. Vol. 193. P. 948-955.
16. S.P. Malyukov, A.V. Sayenko, A.V. Ivanova. Numerical modeling of perovskite solar cells with a planar structure // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 151. P. 012033.
17. А.А. Rozhko, V.V. Petrov, А.V. Sayenko. Study of the effect of the thickness of the photosensitive layer of perovskite on its efficiency using SCAPS-1D software // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1035. P. 012032.
18. Sayenko A.V., Malyukov S.P., Palii A.V., Goncharov E.V. Influence of a Cu2O hole-transport layer on perovskite solar cells characteristics // Applied Physics. 2021. No 2. P. 45-51.
19. Hui-Jing Du, Wei-Chao Wang, Jian-Zhuo Zhu. Device simulation of lead-free CH3NH3SnI3 perovskite solar cells with high efficiency // Chin. Phys. B. 2016. Vol. 25. No. 10. P. 108803.
20. Takashi Minemoto, Yu Kawano, Takahito Nishimura, Jakapan Chantana. Numerical reproduction of a perovskite solar cell by device simulation considering band gap grading // Optical Materials. 2019. Vol. 92. P. 60-66.
21. Neelima Singh, Alpana Agarwal, Mohit Agarwal. Numerical simulation of highly efficient lead-free all-perovskite tandem solar cell // Solar Energy. 2020. Vol. 208. P. 399-410.
22. S. Abdelaziz, A. Zekry, A. Shaker, M. Abouelatta. Investigating the performance of formamidinium tin-based perovskite solar cell by SCAPS device simulation // Optical Materials. 2020. Vol. 101. P. 109738.
23. Yu Kawano, Jakapan Chantana, Takahito Nishimura, Takashi Minemoto. Influence of halogen content in mixed halide perovskite solar cells on cell performances through device simulation // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2020. Vol. 205. P. 110252.
24. Huanping Zhou, Qi Chen, Gang Li, Song Luo, Tze-bing Song, Hsin-Sheng Duan, Ziruo Hong, Jingbi You, Yongsheng Liu, Yang Yang. Photovoltaics. Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells // Science. 2014. Vol. 345. No. 6196. P. 542-546.
25. Abdelkader Hima, Nacereddine Lakhdar, Boubaker Benhaoua, Achour Saadoune, Imad Kemerchou, Fatiha Rogti. An optimized perovskite solar cell designs for high conversion efficiency // Superlattices and Microstructures. 2019. Vol. 129. P. 240-246.
26. А. Я. Глиберман, А. К. Зайцева «Кремниевые солнечные батареи» - М.: Госэнергоиздт, 1961;
27. «Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного Излучения» - Ленинград: Наука, 1989;
28. М. М. Колтун «Оптика и метрология солнечных элементов» - М.: Наука, 1985;
29. Г. Раушенбах «Справочник по проектированию солнечных батарей» - М: Энергоатом издат, 1983;
30. M. Green and M. Keevers «Progress in Photovoltaics», 1995;
31. «Прошлое, настоящее и будущее солнечной энергии» http://www.budynok.kiev.ua;
32. «Технологии» http://www.nitolsolar.com;
33. 3. Ю. Готра «Технология микроэлектронных устройств: Справочник» -
М.: Радио и связь, 1991;
34. А. Б. Камнев, Б. А. Лапшинов «Механическая обработка полупроводниковых материалов» - М.: - Высшая школа, 1990;
35. A. Luque, S. Hegedus - «Handbook of Photovoltaic Science» L. A. Dobrzanski, A. Drygala «Laser texturization in technology of multicrystalline silicon solar cells» - Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering Volume 29 July 2008;
36. В. С. Жигалов «Лазерные технологии» http://www.sibsauktf.ru;
37. N. В. Mason, J. Fieret «Advanced laser processing for industrial solar cell
manufacturing (alpinism)» - 2006;
38. S. Eager, N. Mason «Buried Contact Cell Technology»;
39. A. U. Ebong, s. D. Kim and s. H. Lee «Isolated rear and front groove silicon solar cells» 1995;
40. Берлин Е. В., Двинин С. А., Сейдман Л. А. Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок. Москва: Техносфера, 2007. - 176с.
Проведено исследование влияния толщины и концентрации дефектов слоя перовскита CH3NH3PbI3, а также толщины, концентрации акцепторов и подвижности дырок в слое Cu2O на фотоэлектрические характеристики солнечного элемента. Получено, что оптимальная толщина слоя перовскита составляет 600-700 нм, а концентрация дефектов должна быть менее 1014 см-3. Увеличение толщины слоя Cu2O от 50 нм до 500 нм не оказывает существенного влияния на эффективность солнечного элемента, при этом оптимальная концентрация акцепторов в слое Cu2O составляет 1018-1019 см-3, а подвижность дырок должна быть более 0,1 см2/В·с.
Показано, что работа выхода материала тыльного контакта должна быть больше или равна 5 эВ для создания солнечных элементов с высокой эффективностью. Получена максимальная эффективность 21,55 % (ток короткого замыкания 24,87 мА/см2, напряжение холостого хода 1,1 В, фактор заполнения 78,82 %) для структуры перовскитного солнечного элемента с углеродным (С) тыльным контактом.
Список использованных источников
1. Hobeom Kim, Kyung-Geun Lim, Tae-Woo Lee. Planar heterojunction organometal halide perovskite solar cells: roles of interfacial layers // Energy and Environmental Science. 2016. Vol. 9. P. 12-30.
2. Hyun Suk Jung, Nam-Gyu Park. Perovskite Solar Cells: From Materials to Devices // Small. 2015. Vol. 11. P. 10-25.
3. Weifu Sun, Kwang-Leong Choy, Mingqing Wang. The Role of Thickness Control and Interface Modification in Assembling Efficient Planar Perovskite Solar Cells // Molecules. 2019. Vol. 24. P. 3466-3480.
4. Tejas S. Sherkar, Cristina Momblona, Lidon Gil-Escrig, Jorge Avila, Michele Sessolo, Henk J. Bolink, L. Jan Anton Koster. Recombination in Perovskite Solar Cells: Significance of Grain Boundaries, Interface Traps, and Defect Ions // ACS Energy Letters, 2017. Vol. 2. P. 1214-1222.
5. Mingzhen Liu, Michael B. Johnston, Henry J. Snaith. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition // Nature. 2013. Vol. 501. P. 393-398.
6. Svetlana Sirotinskaya, Roland Schmechel, Niels Benson. Influence of the cathode microstructure on the stability of inverted planar perovskite solar cells // RSC Advances. 2020. Vol. 10. P. 23653-23661.
7. Stefaan De Wolf, Jakub Holovsky, Soo-Jin Moon, Philipp Loper, Bjoern Niesen, Martin Ledinsky, Franz-Josef Haug, Jun-Ho Yum, Christophe Ballif. Organometallic Halide Perovskites: Sharp Optical Absorption Edge and Its Relation to Photovoltaic Performance // J. Phys. Chem. Lett. 2014. Vol. 5. P. 1035-1039.
8. Tominov R.V., Vakulov Z.E., Avilov V.I., Khakhulin D.A., Fedotov A.A., Zamburg E.G., Smirnov V.A., Ageev O.A. The effect of growth parameters on electrophysical and memristive properties of vanadium oxide thin films // Molecules. 2021. Vol. 26. P. 118.
9. Tominov R.V., Vakulov Z.E., Avilov V.I., Khakhulin D.A., Polupanov N.V., Smirnov V.A., Ageev O.A. Synthesis and memristor effect of a forming-free ZnO nanocrystalline films // Nanomaterials. 2020. Vol. 10. P. 1007.
10. Vakulov Z., Geldash A., Khakhulin D., Il'ina M.V., Il'in O.I., Klimin V.S., Dzhuplin V.N., Konoplev B.G., He Z., Ageev O.A. Piezoelectric Energy Harvester Based on LiNbO3 Thin Films // Materials. 2020. Vol. 13. P. 3984.
11. D.A. Kudryashov, A.S. Gudovskikh, A.V. Babichev, A.V. Filimonov, A.M. Mozharov, V.F. Agekyan, E.V. Borisov, A.Yu. Serov, N.G. Filosofov. Nanoscale Cu2O Films: Radio-Frequency Magnetron Sputtering and Structural and Optical Studies // Semiconductors. 2017. Vol. 51. No 1. P. 111-115.
12. F. Behrouznejad, S. Shahbazi, N. Taghavinia, Hui-Ping Wud, Eric Wei-Guang Diau. A study on utilizing different metals as the back contact of CH3NH3PbI3 perovskite solar cells // J. Mater. Chem. A. 2016. Vol. 4. P. 13488-13498.
13. M. Burgelman, P. Nollet, S. Degrave. Modelling Polycrystalline Semiconductor Solar Cells // Thin Solid Films. 2000. Vol. 361-362. P. 527-532.
14. Minemoto T., Murata M. Device modeling of perovskite solar cells based on structural similarity with thin film inorganic semiconductor solar cells // J. of Appl. Phys. 2014. Vol. 116. P. 054505.
15. Yassine Raoui, Hamid Ez-Zahraouy, Najim Tahiri, Omar El Bounagui, Shahzada Ahmad, Samrana Kazim. Performance analysis of MAPbI3 based perovskite solar cells employing diverse charge selective contacts: Simulation study // Solar Energy. 2019. Vol. 193. P. 948-955.
16. S.P. Malyukov, A.V. Sayenko, A.V. Ivanova. Numerical modeling of perovskite solar cells with a planar structure // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 151. P. 012033.
17. А.А. Rozhko, V.V. Petrov, А.V. Sayenko. Study of the effect of the thickness of the photosensitive layer of perovskite on its efficiency using SCAPS-1D software // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1035. P. 012032.
18. Sayenko A.V., Malyukov S.P., Palii A.V., Goncharov E.V. Influence of a Cu2O hole-transport layer on perovskite solar cells characteristics // Applied Physics. 2021. No 2. P. 45-51.
19. Hui-Jing Du, Wei-Chao Wang, Jian-Zhuo Zhu. Device simulation of lead-free CH3NH3SnI3 perovskite solar cells with high efficiency // Chin. Phys. B. 2016. Vol. 25. No. 10. P. 108803.
20. Takashi Minemoto, Yu Kawano, Takahito Nishimura, Jakapan Chantana. Numerical reproduction of a perovskite solar cell by device simulation considering band gap grading // Optical Materials. 2019. Vol. 92. P. 60-66.
21. Neelima Singh, Alpana Agarwal, Mohit Agarwal. Numerical simulation of highly efficient lead-free all-perovskite tandem solar cell // Solar Energy. 2020. Vol. 208. P. 399-410.
22. S. Abdelaziz, A. Zekry, A. Shaker, M. Abouelatta. Investigating the performance of formamidinium tin-based perovskite solar cell by SCAPS device simulation // Optical Materials. 2020. Vol. 101. P. 109738.
23. Yu Kawano, Jakapan Chantana, Takahito Nishimura, Takashi Minemoto. Influence of halogen content in mixed halide perovskite solar cells on cell performances through device simulation // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2020. Vol. 205. P. 110252.
24. Huanping Zhou, Qi Chen, Gang Li, Song Luo, Tze-bing Song, Hsin-Sheng Duan, Ziruo Hong, Jingbi You, Yongsheng Liu, Yang Yang. Photovoltaics. Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells // Science. 2014. Vol. 345. No. 6196. P. 542-546.
25. Abdelkader Hima, Nacereddine Lakhdar, Boubaker Benhaoua, Achour Saadoune, Imad Kemerchou, Fatiha Rogti. An optimized perovskite solar cell designs for high conversion efficiency // Superlattices and Microstructures. 2019. Vol. 129. P. 240-246.
26. А. Я. Глиберман, А. К. Зайцева «Кремниевые солнечные батареи» - М.: Госэнергоиздт, 1961;
27. «Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного Излучения» - Ленинград: Наука, 1989;
28. М. М. Колтун «Оптика и метрология солнечных элементов» - М.: Наука, 1985;
29. Г. Раушенбах «Справочник по проектированию солнечных батарей» - М: Энергоатом издат, 1983;
30. M. Green and M. Keevers «Progress in Photovoltaics», 1995;
31. «Прошлое, настоящее и будущее солнечной энергии» http://www.budynok.kiev.ua;
32. «Технологии» http://www.nitolsolar.com;
33. 3. Ю. Готра «Технология микроэлектронных устройств: Справочник» -
М.: Радио и связь, 1991;
34. А. Б. Камнев, Б. А. Лапшинов «Механическая обработка полупроводниковых материалов» - М.: - Высшая школа, 1990;
35. A. Luque, S. Hegedus - «Handbook of Photovoltaic Science» L. A. Dobrzanski, A. Drygala «Laser texturization in technology of multicrystalline silicon solar cells» - Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering Volume 29 July 2008;
36. В. С. Жигалов «Лазерные технологии» http://www.sibsauktf.ru;
37. N. В. Mason, J. Fieret «Advanced laser processing for industrial solar cell
manufacturing (alpinism)» - 2006;
38. S. Eager, N. Mason «Buried Contact Cell Technology»;
39. A. U. Ebong, s. D. Kim and s. H. Lee «Isolated rear and front groove silicon solar cells» 1995;
40. Берлин Е. В., Двинин С. А., Сейдман Л. А. Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок. Москва: Техносфера, 2007. - 176с.
Приложение А
Топология солнечного элемента
