электроника. Кафедра конструирования электронных средств

• Название: Кафедра конструирования электронных средств
• Анкор: электроника
• Дата: 25.02.2023
• Размер: 3.45 Mb.
• Имя файла: Diplom.docx
• Тип: Документы; #955020
• страница: 11 из 12

3.2 Исследование влияния толщины перовскита на эффективность солнечного элемента

Основным фактором, влияющим на характеристики перовскитовых солнечных элементов, является толщина слоя перовскита (CH₃NH₃PbI₃), поскольку она осуществляет поглощение солнечного излучения и генерацию электронно-дырочных пар. Для исследования влияния толщины слоя перовскита на характеристики солнечного элемента проведено моделирование при изменении толщины в диапазоне от 100 нм до 1000 нм. Поскольку материал перовскита имеет прямую запрещенную зону 1,55 эВ, а также высокий коэффициент поглощения , тонкий слой поглотителя может обеспечить высокую эффективность преобразования энергии. После проведенного эксперимента установлено, что эффективность солнечного элемента резко возрастает (с 12,24 % до 21,5 %) при увеличении толщины слоя перовскита до 600 нм, затем незначительно возрастает до 700 нм и снижается после.


Толщина, нм

Эффективность, %

Рисунок 3.3 – Зависимость эффективности от толщины слоя перовскита

Увеличение толщины слоя перовскита также приводит к небольшому уменьшению напряжения холостого хода на 0,1 В (с 1,18 В до 1,08 В), что связано с увеличением плотности темнового тока насыщения (J₀) за счет возрастания вероятности рекомбинации носителей заряда. Это можно объяснить зависимостью напряжения холостого хода (V_OC) от плотности темнового тока насыщения и фотогенерируемой плотности тока короткого замыкания (JSC) [17-19]:



где A – коэффициент идеальности диода, kT/q – температурный потенциал. Напряжение холостого хода ограничивается величиной плотности темнового тока насыщения, которая возрастает при увеличении толщины слоя перовскита.


Толщина, нм

Напряжение холостого хода, В

Рисунок 3.4 – График зависимости напряжения холостого хода от толщины перовскитного слоя

Более тонкий слой поглотителя вызывает меньшую рекомбинацию электронов и дырок, что способствует сохранению I₀ низким. Именно из-за этого значение V_с остается высоким до определенной толщины поглотителя. Но если значение толщины поглотителя достигает порогового значения, тогда значение I0 увеличивается, а значит значение Vос уменьшается. Кроме того, коэффициент заполнения тоже уменьшается с увеличение толщины, значит это приводит к увеличению внутреннего энергопотребления.

Из рисунка видно, что при увеличении толщины слоя перовскита поглощается большее количество фотонов, что приводит к генерации большего количества избыточных носителей заряда и, соответственно, возрастанию плотности тока короткого замыкания с 12,92 мА/см2 до 25,61 мА/см2


Рисунок 3.5 – График зависимости плотности тока короткого замыкания от толщины перовскитного слоя

Кроме толщины слоя перовскита на характеристики солнечных элементов также существенно влияет концентрация дефектов в кристаллической решетке перовскита, поскольку большая концентрация дефектов приводит к более высокой скорости рекомбинации вследствие образования точечных вакансий, быстрой деградации слоя перовскита, а также ухудшению характеристик солнечного элемента [4]. Рекомбинация Шокли-Рида-Холла через локальные уровни, создаваемые дефектами кристаллической решетки, является основным механизмом в перовскитных солнечных элементах, поскольку слой перовскита обычно имеет высокую концентрацию дефектов. Скорость рекомбинации (R) Шокли-Рида-Холла определяется по формулам [13-17]:

(3.2)



(3.3)


где τn, τp – времена жизни электронов и дырок; σn,p – эффективное сечение захвата электронов и дырок дефектом; Ec, Ev – энергетические уровни дна зоны проводимости и потолка валентной зоны; Et – локальный энергетический уровень, создаваемый дефектами; υn,p – тепловая скорость электронов и дырок; Nt – концентрация дефектов.

Диффузионная длина (Ln,p) электронов и дырок в перовските определяется с помощью уравнения [16-22]:
(3.4)

(3.5)

где Dn,p – коэффициент диффузии электронов и дырок.

Для исследования влияния концентрации дефектов в перовските на характеристики солнечного элемента проведено моделирование при изменении концентрации дефектов в диапазоне от 10¹³ см-3 до 10¹⁷ см-3, толщине 700 нм и остальных параметрах, приведенных в таблице 2.1.

В таблице приведены значения диффузионной длины и времени жизни электронов и дырок, полученные по формулам от концентрации дефектов в перовските и используемые при моделировании.

Таблица 3.1 - Значения диффузионной длины и времени жизни носителей заряда от концентрации дефектов в перовските

Nt, см-3	1013	1014	1015	1016	1017
Ln,p, нм	1600	510	160	51	16
τn,p, нс	500	50	5	0,5	0,05

при изменении концентрации дефектов в перовските от 10¹³ см^-3 до 10¹⁷ см^-3 напряжение холостого хода снижается с 1,14 В до 0,68 В, плотность тока короткого замыкания с 24,89 мА/см² до 3,67 мА/см², а эффективность с 22,66 % до 0,66 %. Таким образом, характеристики солнечного элемента значительно снижаются при увеличении концентрации дефектов в перовските. Для получения высокой эффективности концентрация дефектов должно быть меньше 10¹⁴ см^-3 за счет улучшения кристаллической структуры, т.е. оптимизации технологии формирования слоя перовскита. При моделировании получена наилучшая эффективность порядка 21,5 % при практически достижимой концентрации дефектов в перовските 2,5·10¹³ см^-3.



Рисунок 3.6 - Вольт-амперные характеристики солнечных элементов при различной концентрации дефектов в слое перовскита
Замена дорогостоящего тыльного контакта Au (5,1 эВ) в солнечном элементе также является важной задачей. В качестве данного контакта необходимо использовать материал с определенной работой выхода для получения омического контакта со слоем Cu₂O. На рисунке 3.7 показаны зависимость эффективности солнечного элемента от работы выхода из материала тыльного контакта и их вольт-амперные характеристики. В качестве материала тыльного контакта (Me) при моделировании солнечного элемента со структурой ITO/TiO₂/CH₃NH₃PbI_3-xCl_x (700 нм)/Cu₂O (200 нм)/Me использовались Ni (5,15 эВ), Au (5,1), C (5 эВ), Ag (4,74), Cu (4,65) и Al (4,3 эВ). Получено, что возрастание работы выхода приводит к значительному увеличению напряжения холостого хода с 0,76 В до 1,1 В. Ток короткого замыкания при этом практически не изменяется (24,87 мА/см²). Эффективность солнечного элемента увеличивается примерно до работы выхода 5 эВ из-за уменьшения потенциального барьера Шоттки на межфазной границе Cu₂O/Me, что способствует более эффективному переносу дырок в Cu₂O к тыльному контакту.



Рисунок 3.7 - Зависимость эффективности солнечного элемента от работы выхода из материала тыльного контакта (а) и их вольт-амперные характеристики (б)

Таким образом, работа выхода тыльного контакта должна быть больше или равна 5 эВ, что необходимо для получения высоких характеристик солнечного элемента (эффективность 21,55 %). Наиболее подходящим в качестве тыльного контакта для структуры с фотоактивным слоем CH₃NH₃PbI₃ углерод (C) с работой выхода 5 эВ.