Моделирование производительности экологически чистых солнечных элементов на основе CH3NH3SnI3

Авторы

  • Ж.Б. Омарова
  • Д.Е. Ережеп
  • А.У. Алдияров
  • О. Голиков
  • Н.С. Токмолдин

DOI:

https://doi.org/10.31489/2022No2/58-64

Ключевые слова:

бессвинцовые перовскитные солнечные элементы, электронно-транспортный слой, дырочно-транспортный слой, поглощающий слой, SCAPS-1D

Аннотация

Широкомасштабное внедрение перовскитной фотоэлектрической технологии с использованием таких высокоэффективных материалов, как СH3NH3PbI3, в будущем может столкнуться с серьезными экологическими проблемами. Альтернативным решением для коммерческой реализации может являться внедрение перовскитного солнечного элемента на основе Sn. В данной работе представлены результаты теоретического исследования без свинцового, экологически чистого солнечного элемента, с использованием СH3NH3SnI3 в качестве светопоглощающего слоя. Моделирование характеристик солнечного элемента на основе перовскита было проведено с помощью программы SCAPS-1D. Проанализированы различные толщины поглощающего слоя, и была предложена оптимизированная структура устройства, показывающая высокую эффективность преобразования энергии (PCE) до 28% при температуре окружающей среды. В результате, после анализа различных толщин поглощающего слоя СH3NH3SnI3, было выявлено, что при толщине 500 нм демонстрируются оптимальная производительность с КПД преобразования мощности 27,41 %, коэффициентом заполнения 85,92%, плотность тока короткого замыкания 32,60 мА/см2 и напряжение холостого хода 0,98 В. Полученные численные результаты свидетельствуют о том, что использование поглощающего слоя СH3NH3SnI3 может быть альтернативной заменой для создания высокоэффективной технологии экологически чистого солнечного элемента на основе перовскита.

Биографии авторов

Ж.Б. Омарова

Master (Eng.), PhD student, al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan; Orcid ID: 0000-0002-1101-7735; zhansaya_o@mail.ru

Д.Е. Ережеп

PhD, Senior Lecturer, al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan, Scopus Author ID: 57194012596; Orcid ID: 0000-0002-2232-2911, darhan_13@physics.kz

А.У. Алдияров

Candidate of Phys. and math. sciences, Associate Professor, al-Farabi Kazakh National University, Almaty, Kazakhstan; Scopus Author ID:16201950600; Orcid ID: 0000-0002-5091-7699

О. Голиков

Master (Eng.), PhD student, Kazakh National University. al-Farabi, Almaty, Kazakhstan, Orcid ID: 0000-0002-6691-8346, golikov@physics.kz

Н.С. Токмолдин

PhD, Postdoctoral Researcher, University of Potsdam, Potsdam, Germany (Scopus Author ID 16043572900; Orcid ID:  0000-0002-0663-0228

Библиографические ссылки

Klöckner K., Letmathe P. Is the coherence of coal phase-out and electrolytic hydrogen production the golden path to effective decarbonisation? Applied Energy, 2020, Vol. 279, pp. 115779. doi: 10.1016/j.apenergy.2020.115779.

Carneiro A.L. et al. Energy consumption and carbon footprint of perovskite solar cells. Energy Reports, 2022, Vol. 8, pp. 475–481. doi: 10.1016/j.egyr.2022.01.045.

Gür T.M. Carbon Dioxide Emissions, Capture, Storage and Utilization: Review of Materials, Processes and Technologies. Progress in Energy and Combustion Science, 2022, Vol. 89, pp. 100965.

Martinho F. Challenges for the future of tandem photovoltaics on the path to terawatt levels: a technology review. Energy & Environmental Science, 2021, Vol. 14, No. 7, pp. 3840–3871. doi: 10.1039/D1EE00540E.

Cousse J. Still in love with solar energy? Installation size, affect, and the social acceptance of renewable energy technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2021, Vol. 145, pp. 111107.

Jena A.K., Kulkarni A., Miyasaka T. Halide Perovskite Photovoltaics: Background, Status, and Future Prospects. Chemical Reviews, 2019, Vol. 119, No. 5, pp. 3036–3103. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00539.

Reddy S.H., Di Giacomo F., Di Carlo A. Low‐Temperature‐Processed Stable Perovskite Solar Cells and Modules: A Comprehensive Review. Advanced Energy Materials, 2022, Vol. 12, No. 13, pp. 2103534.

Chapin D.M., Fuller C.S., Pearson G.L. A New Silicon p‐n Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electrical Power. Journal of Applied Physics, 1954, Vol. 25, No. 5, pp. 676–677. doi: 10.1063/1.1721711.

Green M.A. et al. Solar cell efficiency tables (Version 53). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2019, Vol. 27, No. 1, pp. 3–12. doi: 10.1002/pip.3102.

Zu F. et al. Illumination‐Driven Energy Level Realignment at Buried Interfaces between Organic Charge Transport Layers and a Lead Halide Perovskite. Solar RRL, 2022, pp. 2101065. doi: 10.1002/solr.202101065.

Jeong M. et al. Stable perovskite solar cells with efficiency exceeding 24.8% and 0.3-V voltage loss. Science, 2020, Vol. 369, No. 6511, pp. 1615–1620. doi: 10.1126/science.abb7167.

Min H. et al. Perovskite solar cells with atomically coherent interlayers on SnO2 electrodes. Nature, 2021, Vol. 598, No. 7881, pp. 444–450. doi: 10.1038/s41586-021-03964-8.

Park S.Y., Zhu K. Advances in SnO 2 for Efficient and Stable n–i–p Perovskite Solar Cells. Advanced Materials, 2022, pp. 2110438. doi: 10.1002/adma.202110438.

Herterich J. et al. Ion Movement Explains Huge V OC Increase despite Almost Unchanged Internal Quasi‐Fermi‐Level Splitting in Planar Perovskite Solar Cells. Energy Technology, 2021, Vol. 9, No. 5, pp. 2001104.

Morana M., Malavasi L. Pressure Effects on Lead‐Free Metal Halide Perovskites: a Route to Design Optimized Materials for Photovoltaics. Solar RRL, 2021, Vol. 5, No. 11, pp. 2100550. doi: 10.1002/solr.202100550.

Ghimire S. et al. Structural Reconstruction in Lead-Free Two-Dimensional Tin Iodide Perovskites Leading to High Quantum Yield Emission. ACS Energy Letters, 2022, Vol. 7, No. 3, pp. 975–983.

Wuttig M. et al. Halide Perovskites: Advanced Photovoltaic Materials Empowered by a Unique Bonding Mechanism. Advanced Functional Materials, 2022, Vol. 32, No. 2, pp. 2110166. doi: 10.1002/adfm.202110166.

Meier F. et al. Charge Carrier Dynamics of Multiple-Cation Mixed-Halide Perovskite Thin Films. The Journal of Physical Chemistry C, 2021, Vol. 125, No. 31, pp. 17411–17417. doi: 10.1021/acs.jpcc.1c04302.

Deepthi Jayan K., Sebastian V. Comprehensive device modelling and performance analysis of MASnI3 based perovskite solar cells with diverse ETM, HTM and back metal contacts. Solar Energy, 2021, Vol. 217, pp. 40–48.

Patel P.K. Device simulation of highly efficient eco-friendly CH3NH3SnI3 perovskite solar cell. Scientific Reports, 2021, Vol. 11, No. 1, pp. 3082. doi: 10.1038/s41598-021-82817-w.

Singh A.K. et al. Performance optimization of lead free-MASnI3 based solar cell with 27% efficiency by numerical simulation. Optical Materials, 2021, Vol. 117, pp. 111193. doi: 10.1016/j.optmat.2021.111193.

Kanoun A.-A. et al. Toward development of high-performance perovskite solar cells based on CH3NH3GeI3 using computational approach. Solar Energy, 2019, Vol. 182, pp. 237–244. doi: 10.1016/j.solener.2019.02.041.

Tariq Jan S., Noman M. Influence of layer thickness, defect density, doping concentration, interface defects, work function, working temperature and reflecting coating on lead-free perovskite solar cell. Solar Energy, 2022, Vol. 237, pp. 29–43. doi: 10.1016/j.solener.2022.03.069.

Zeinidenov A. et al. The effect of MoO3 interlayer on electro-physical characteristics of the perovskite solar cells. Synthetic Metals, 2021, Vol. 281, pp. 116903. doi: 10.1016/j.synthmet.2021.116903.

Aimukhanov А.К. et al. Influence of surface structure and morphology of PEDOT: PSS on its optical and electrophysical characteristics. Bulletin of the Karaganda University. Physics series.2021, Vol. 103, No. 3, pp. 93–100.

Rombach F.M., Haque S.A., Macdonald T.J. Lessons learned from spiro-OMeTAD and PTAA in perovskite solar cells. Energy & Environmental Science, 2021, Vol. 14, No. 10, pp. 5161–5190. doi: 10.1039/D1EE02095A.

Aimukhanov A.K. et al. The influence of structural and charge transport properties of PEDOT : PSS layers on the photovoltaic properties of polymer solar cells. Polymers for Advanced Technologies, 2021, Vol. 32, No. 2, pp. 497–504. doi: 10.1002/pat.5102.

Salem M.S. et al. Analysis of Hybrid Hetero-Homo Junction Lead-Free Perovskite Solar Cells by SCAPS Simulator. Energies, 2021, Vol. 14, No. 18, pp. 5741. doi: 10.3390/en14185741.

Abdelaziz S. et al. Investigation of lead-free MASnI3-MASnIBr2 tandem solar cell: Numerical simulation. Optical Materials, 2022, Vol. 123, pp. 111893. doi: 10.1016/j.optmat.2021.111893.

Deepthi Jayan K., Sebastian V. Comprehensive device modelling and performance analysis of MASnI3 based perovskite solar cells with diverse ETM, HTM and back metal contacts. Solar Energy, 2021, Vol. 217, pp. 40–48.

Kumar M. et al. An optimized lead-free formamidinium Sn-based perovskite solar cell design for high power conversion efficiency by SCAPS simulation. Optical Materials, 2020, Vol. 108, pp. 110213.

Загрузки

Опубликован

2022-07-15

Как цитировать

Омарова Z., Ережеп D., Алдияров A., Голиков O., & Токмолдин N. (2022). Моделирование производительности экологически чистых солнечных элементов на основе CH3NH3SnI3. Eurasian Physical Technical Journal, 19(2(40), 58–64. https://doi.org/10.31489/2022No2/58-64

Выпуск

Раздел

Энергетика