ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.02.2024
Просмотров: 61
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
Уравнения непрерывности можно упростить следующим образом:
(1.9)
(1.10)
В перовскитных солнечных элементах, выходной ток включает в себя диффузионный ток и дрейфовый ток, вызванный электронами и дырками. Он
может быть получен из следующих уравнений:
(1.11)
(1.12)
где - коэффициент диффузии электронов, - коэффициент диффузии дырок, - подвижность электронов, и - подвижностью дырок. В этой модели, предполагается, что , а также удовлетворяют соотношению Эйнштейна, которое может быть выражено как:
(1.13)
где - постоянная Больцмана, T - температура.
Есть три неизвестных, которые нужно найти, это n, р, а также φ. Для того, чтобы получить эти значения, необходимо выбрать соответствующие граничные условия. На катоде и аноде, плотность электронов и дырок подчиняются распределению Больцмана, и они могут быть выражены как:
(1.14)
(1.15)
в котором, - плотность состояния, , а также являются электронами и
дырками уровня Квази-Ферми.
В перовскитных солнечных элементах, выходное напряжение равно разности между
и , и может быть выражено как:
Для того, чтобы упростить модель, предполагается, что значение выходного напряжения является зонной энергией, и соответствующие граничные условия могут быть заданы:
где, - приложенное напряжение.
В 2004 году ученые показали, что, если толщина устройства является достаточно небольшой (при 100 нм), то экспоненциальная зависимость поглощения света и расстояния не влияют на производительность устройства значительно, так что скорость генерации может быть установлена в качестве постоянной [22]. Таким образом, используя экспоненциальную модель, можно определить скорость генерации заряда по формуле:
(1.6)
где, IPCE - движение фотона, - плотность падающего света, - коэффициент поглощения, h - постоянная Планка, c - это скорость света, λ - длина волны фотона.
Таким образом, скорость генерации заряда можно переписать в виде:
где, - является AM1.5 в солнечном спектре, который рассчитывается по
NREL,
Таким образом, результат будет выглядеть так:
В устройстве, все носители будут двигаться к их соответствующему электроду, и когда они приходят в движение, электроны и дырки будут рекомбинировать. Есть два вида механизма рекомбинации, прямой и косвенный. Прямая рекомбинация обусловлена прямым переходом электронов между зоной проводимости и валентной зоной. Как правило, он используется для описания устройства с низкой концентрацией дефектов.
Может быть выражен как [23]:
где γ - коэффициент рекомбинации, - собственная концентрация носителей.
Косвенная рекомбинация используется для описания устройства с высокой концентрацией дефектов. Это может быть выражено как [18]:
где, - время жизни электрона, - время жизни дырки. В разрабатываемой модели низкая концентрация дефектов, поэтому рассматриваем только прямой механизм рекомбинации.
1.8 Программа численного моделирования SCAPS-1D
Численное моделирование является важным и эффективным способом изучения физического механизма в проектировании солнечных батарей.
Моделирование может показать физическую работу, жизнеспособность предложенной физической модели и является важным способом понимания работы устройства, а также того, как параметры устройства влияют на физическую работу и производительность
устройств солнечных батарей мгновенно, без необходимости
долго ждать или тратить деньги, прежде чем увидеть результат.
SCAPS-1D является одномерным программным обеспечением для моделирования, разработанным в Университете Гента, Бельгия. По сравнению с другим программным обеспечением, SCAPS имеет интуитивный пользовательский интерфейс и разнообразные модели для классификации, дефектации и рекомбинации. Основные особенности SCAPS [24] заключаются в наличии материалов и дефектации свойств, которые могут быть определены в 7 полупроводниковых слоях, как и показано на Рисунке 1.11 и Рисунке 1.12. Есть пять типов дефектов доступных в программном обеспечении, связанные с солнечными элементами, такие как энергетические зоны, концентрация, ток, характеристики и т.д. Параметры для различных слоев в моделировании выбираются на основе теоретических соображений, экспериментальных данных и существующей литературы
Рисунок 1.11 - Панель определения уровня в SCAPS-1D
Рисунок 1.12 - Материалы и панель определения дефектов в SCAPS-1D
Основные уравнения
Уравнение Пуассона используется для описания отношений между потенциальными и объемными зарядами, как показано в уравнении 1.7:
(1.7)
где: φ - потенциал, Q - элементарный заряд, ε - является диэлектрической проницаемостью, n - плотность свободных электронов, p - плотность свободных дырок, - донор, - акцептор,
- задействованная плотность дырок, - задействованная плотность электронов.
Уравнения 1.17 и 1.18 определяют передвижение носителей
(1.17)
(1.18)
где, G - это скорость оптической генерации, R - скорость рекомбинации, коэффициент диффузии электронов, - коэффициент диффузии дырок, L подвижность электронов, и это подвижность дырок.
Концентрация электронов и дырок
Через уравнения теплового равновесия, свободные концентрации носителей выражаются уравнениями 1.19 и 1.20
(1.19)
(1.20)
где, - уровень Ферми, постоянная Больцмана, T это температура, а также - энергетическими уровнями в стационарном состоянии.
Диффузионная длина описывает транспортную способность носителей в солнечных батареях. Это зависит от коэффициента диффузии и время жизни носителей, который показан в уравнении 1.21
(1.21)
где, L - длина диффузии, τ - является время жизни носителей.
Механизм рекомбинации
Есть три метода рекомбинации, используемые в SCAPS. Метод Band-to-band является обратным процессом поглощения фотонов. Электроны в зоне проводимости падают вниз к пустой валентной зоне и рекомбинируют с дырками. Скорость рекомбинации в Band-to-band может быть выражена как:
(1.22)
Рекомбинация Шокли-Рида-Холла (ШРХ). Данный тип рекомбинации происходит из-за дефектов или примесей в материалах. Скорость рекомбинации ШРХ может быть определена по формуле: