электроника. Кафедра конструирования электронных средств
 Скачать 3.45 Mb.
|
2. Разработка модели перовскитного солнечного элементаПостроение 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
Тепловая скорость электронов и дырок составляет 107 см/с. Моделирование проводится при освещенности 1000 Вт/м2, температуре 300 К и массе воздуха 1,5 G. Напряжение на солнечном элементе устанавливается от 0 В до 1,2 В. Таблица 2.2 - Основные параметры элемента
Подвижность дырок и ширина запрещенной зоны являются двумя наиболее важными параметрами, которые необходимо рассматривать в качестве критериев при выборе слоя НТМ. Таблица 2.3 - Параметры, используемые при моделировании
|
/Vs