Файл: Кафедра конструирования электронных средств.docx

(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, τ_n и τ_t - 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

---