Главная страница
Навигация по странице:

  • Приложение А

    		•

    электроника. Кафедра конструирования электронных средств


    Скачать 3.45 Mb.
    НазваниеКафедра конструирования электронных средств
    Анкорэлектроника
    Дата25.02.2023
    Размер3.45 Mb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаDiplom.docx
    ТипДокументы
    #955020
    страница12 из 12
    1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

    4. Разработка технологии изготовления перовскитного солнечного элемента


    Технология изготовления перовскитных солнечных элементов не требует энергоемких и сложных технологических процессов, что делает возможность создавать легкие, недорогие и гибкие пленочные устройства. На основе литературных данных были собраны необходимые материалы и разработан технологический маршрут изготовления перовскитного солнечного элемента c использованием оборудования НОЦ «Лазерные технологии» ЮФУ.

    На рисунке 4.1 изображен технологический маршрут изготовления перовскитного солнечного элемента.


    .

    Рисунок 4.1 – Технологический маршрут изготовления перовскитного солнечного элемента
    Этап 1 – Очистка стеклянной подложки.

    Выбирается стеклянная подложка требуемого размера и толщиной 3 мм. Для удаления различных органических загрязнений стеклянная подложка очищается при помощи ультразвуковой обработки в деионизированной воде, ацетоне и изопропаноле в течение 20 минут с последующей сушкой на воздухе. Для качественного покрытия подложки необходимо проводить очистку ионными пучками. Очистка подложек падающими ионами относится к наиболее перспективным видам обработки, так как позволяет обрабатывать подложки в вакуумной камере (в атмосфере аргона) непосредственно перед нанесением пленки и тем самым исключить повторное загрязнение подложки. Кроме того, данный вид обработки является самым стабильным технологическим процессом, так как свойства разряда определяются электрическими параметрами цепи и легко контролируются. Ионы удаляют любые виды загрязнений не только с подложки, но и с расположенных в непосредственной близости от нее поверхностей. При ионной очистке давление Ar в камере составляет 2·10-3 мбар, мощность разряда – 140 Вт.



    Рисунок 4.2 – Стеклянная подложка для солнечного элемента
    Этап 2 - Нанесение прозрачной проводящей плёнки SnO2:In2O3 методом магнетронного распыления.

    Проводящая прозрачная оксидная плёнка действует как токосъёмный контакт. Она обеспечивает пропускание солнечного света к перовскиту. Тонкие, однородные плёнки, высокого качества лучше всего получать при помощи магнетронного распыления. Для магнетронного распыления не нужно использовать высокую температуру для формирования наноразмерных пленок и кроме того этот метод позволяет использовать в качестве подложек различные материалы. В процессе магнетронного распыления возможно точно управлять параметрами растущей пленки путем изменения мощности магнетрона и состава газовой смеси в камере.

    Плёнка ITO толщиной 400 нм наносится с одной стороны по всей поверхности стеклянной подложки методом высокочастотного (ВЧ) магнетронного распыления мишени SnO2:In2O3 на вакуумной установке магнетронного напыления VSE-PVD-DESK-PRO (рисунок 4.4). Расстояние от мишени до подложки устанавливается равным 70 мм, а мощность разряда 80 Вт. Оптимальными параметрами для распыления являются температура подложки 150 °C, давление в камере 10-4 мбар и мощность разряда 800 Вт.



    Рисунок 4.3 – Стеклянная подложка и слой ITO



    Рисунок 4.4 - Вакуумная установка магнетронного напыления

    VSE-PVD-DESK-PRO (НОЦ «Лазерные технологии»)

    Этап 3 – нанесение плёнки TiO2 методом магнетронного распыления.

    Пленка TiO2 толщиной порядка 500 нм наносится высокочастотным распылением мишени TiO2 в атмосфере аргона (45 %) и кислорода (55 %) при расстоянии до подложки 60 мм. Мощность разряда составляла примерно 250 Вт, давление рабочего газа – 6·10-3 мбар. Время напыления 10 мин. Температура подложки в процессе напыления составляет 150 оC в зависимости от мощности разряда.



    Рисунок 4.5- Нанесение пленки TiO2

    Этап 4 – Нанесение центрифугированием и отжиг в муфельной печи пленки CH3CN3PbI3.

    Пленка перовскита (CH3NH3PbI3) наносилась на TiO2/ITO/стекло центрифугированием на установке SpinNXG-P1 (кафедра КЭС ИНЭП, рисунок 4.6) раствора прекурсора, состоящего из 1,25 М йодида метиламмония (CH3CN3I) и 1,25 М йодида свинца (PbI2) в растворителе диметилформамиде, при 6000 об/мин. в течение 30-40 сек. Далее её помещали в муфельную печь ЭКПС 10 (кафедра КЭС ИНЭП, рисунок 4.7) для отжига при температуре 100-120℃ в течении 60 минут. Реакция между PbI2 и CH3NH3I происходит довольно быстро, поэтому зародыши зерен в прекурсорной пленке самоорганизуются с образованием фазы перовскита CH3NH3PbI3.

    В процессе отжига прозрачная пленка прекурсора перовскита приобретала темный цвет, что соответствует переходу прекурсорной пленки в кристаллическую структуру перовскита.



    Рисунок 4.6 – Установка SpinNXG-P1



    Рисунок 4.7 – Муфельная печь ЭКПС 10



    Рисунок 4.8 – Структура после нанесения пленки CH3NH3PbI3

    Этап 5 – Нанесение плёнки Cu2O методом магнетронного распыления.

    Для осаждения плёнок оксида меди использовалась установка магнетронного распыления VSE-PVD-DESK-PRO, которая ранее применялась для напыления слоя SnO2:In2O3 на стеклянную подложку (рисунок 4.4).

    В этом случае принудительный нагрев подложки не применялся, так что температура в процессе осаждения не поднималась выше 50°С. Для формирования пленки Cu2O использовалась мишень из спеченного Cu2O с заявленной чистотой 99,9 %, в качестве рабочего газа применялся аргон чистотой 99,995 %, давление газа в рабочей камере было равно 2·10-3 мбар, мощность магнетрона составляла 150 Вт, пленка Cu2O имеют толщину около 150 нм (рисунок 4.9).



    Рисунок 4.9 – Нанесение плёнки Cu2О

    Этап 6 – Нанесение C контактов методом магнетронного распыления.

    Плёнка углерода толщиной 100 нм наносится с одной стороны по всей поверхности стеклянной подложки методом высокочастотного (ВЧ) магнетронного распыления графитовой мишени на вакуумной установке магнетронного напыления VSE-PVD-DESK-PRO (рисунок 4.4). Расстояние от мишени до подложки устанавливается равным 70 мм, а мощность разряда 150 Вт. Плазма высокой плотности генерировалась вовремя субимпульсов распыления для увеличения вероятности ионизации распыленных атомов углерода. Оптимальными параметрами для распыления являются температура подложки 130°C, давление в камере 10-4 мбар и мощность разряда 800 Вт.



    Рисунок 4.10 – Структура солнечного элемента

    Заключение
    Выпускная квалификационная работа посвящена разработке и исследованию планарной структуры перовскитного солнечного элемента с использованием метода численного моделирования. Для этого разработана модель в программе численного моделирования SCAPS-1D. Выполнено моделирование перовскитного солнечного элемента со структурой Glass/ITO/TiO2/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.

    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


    1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

    написать администратору сайта