造型设计、电气和光学体异质结聚合物太阳能电池

文摘

能源场景今天是专注于太阳能电池的开发和使用,尤其是在清洁能源的典范。容易创建电子和孔对太阳能电池利用光敏或感光组件。散装异质结(BHJ)是一个nanolayer供体和受体组成的组件有一个很大的相互影响受体和供体接触面积。在这种背景下,P3HT和PCBM为其使用提供了新奇作为受体和捐赠者。在这里介绍的工作,我们地址的机理建模和BHJ-based聚合物太阳能电池的特性。在这里,一个新的设计BHJ聚合物太阳能电池的设计,建模,使用Silvaco TCAD有机太阳能模块,并与一个已经组装设备有相似的特征。使用这个模型,我们能够估计模拟设备的关键参数,如短路电流密度、开路电压、填充因子和小于0.25误差指数相比捏造,铺平了道路专业聚合物太阳能电池的设计和优化。

1。介绍

最近,有一个浓厚的兴趣发展电子设备组成的有机材料(1];的例子包括薄膜晶体管、存储设备,led灯以及太阳能电池。这种兴趣的原因是他们更大的灵活性以及更容易制造,尤其是在大区域,以及降低生产成本(2,3]。的特殊考虑聚合物光伏太阳能电池(已经)4),它通常包含三层:(a)聚合物区(光子吸收),(b)地区生产的电子和空穴对,和(c)一层的指控进行接触。

BHJ-PSC是发展技术,因为它提供了改进的功率转换效率(5,6];在BHJ-PSC P3HT: PCBM设备已经在深入研究[7- - - - - -9]。因此,至关重要的分析有机混合层和电极之间的联系来估计的总体性能BHJ-PSCs [10]。他们面临的一个问题是,电荷累积,导致重组损失和主导着nonohmic联系人(11]。传统的解决方法是通过使用欧姆接触。即便如此,与更好的性能发展设备效率,专门负责提取层(塞尔),夹在有机混合层和电极,工作,促进photogenerated运营商各自的电极的选择性萃取(12,13]。

我们记住,有机聚合物组件允许捐赠者或acceptor-based和也有灵活性由p型和n型掺杂杂质。因此,他们是半导体材料的完美选择14]。塞尔与此同时,还可以推广到两个不同的类型:电子萃取层(鳗鱼)和孔萃取层(hel),需要仔细选择最优设备性能。作为一个例子,对于亲水系统,氧化锌氧化锌和氧化钛(TiO₂)喜欢鳗鱼材料由于其低工作功能,帮助运输电子在不同的光电设备(15]。然而,对于冥界,寻找一种有效的,具有成本效益,easy-to-fabricate冥界仍在继续。当一个新颖的材料,广泛应用于有机光电,冥界是保利(材料间是的运动)聚(styrenesulfonate) (PEDOT: PSS),其倾向于吸收水和抗酒吧电子创建一个问题,同时也显示出非齐次光电行为导致持续寻找新的冥界材料(16- - - - - -18]。在这个例子中,使用石墨烯材料被证明是一个可行的选择用于创建冥界在许多太阳能电池应用程序(19- - - - - -21),使用石墨烯作为一个独立的材料由于其零隙导致问题。代替,磺化功能化石墨烯材料的引入,例如,磺化氧化石墨烯和氧化石墨烯(22- - - - - -24),提供更大的带宽适应性。

最近,阿里et al。25)展示了开创性工作展示了不同P3HT: PSC设备使用不同的降低磺化石墨烯氧化物(rSGO)作为帮助。他们的工作表明,不同配方的rSGO,电光特性可以定制,通过修改能带。rSGO通过使用不同的变体,他们能够证明硫和氧含量的变化可以有效提取和传输。

在的工作25)给我们提供了实验方法,使用磺化石墨烯太阳能电池,需要简化这一过程为目的的优化和节省时间的功能。在这项工作,因此,我们将演示P3HT的双元模型的发展:PSC,使用有机太阳能、造型工具由Silvaco TCAD。进一步,我们将讨论的起始条件,以及参数的优化。最后,我们将讨论造型的结果相比,实验设备测试(25]。

2。结构设计

BHJ聚合物太阳能电池的结构我们考虑由五层,如图1。这些fluorine-doped制成的阳极氧化锡,FTO,电子萃取层使用氧化锌,光敏有机层利用P3HT: PCBM,洞萃取层利用磺化石墨烯氧化物以及减少黄金阴极。FTO作为衬底的使用是合理的光学透明度以及宽禁带和低电阻率特征的氧化锌26,27]。此外,它还具有更高的载体密度的特性(28,29日)和各种制造和实施食谱,FTO的例程和应用程序已经开发多年来(30.- - - - - -37]。在我们的设计中,阳极由FTO,因此为阴离子的流动提供了一个连接的设备。电子传输层是一个半导体层作为一个电子吸收器并使用TiO电荷载体₂和氧化锌。传统上,一个密集的n型紧凑TiO的层₂沉积在FTO / ITO用作空穴阻挡层,TiO的介孔层在哪里₂使用。聚合物太阳能电池的效率可以提高通过阻断可能发生的直接复合钙钛矿和FTO之间的接口。这通常是通过引入一个洞两种材料之间的阻挡层。

的光子,获得足够的能量后,前往P3HT: PCBM活跃区域然后产生电子空穴对。BHJ,受体结是P3HT的一部分,而捐赠的部分是PCBM。入射的太阳能辐射,产生的电子空穴对P3HT: PCBM混合;而电子走向氧化锌(即。、电子萃取层);洞走向石墨烯氧化物(r-SGO)层(即减少。提取层),洞。这个过程如图1。更进一步,他们通过选择性提取层,然后由阳极和阴极。理解这种装置的光学和电学性质,我们利用简单的二极管电路(38),图中所示2。在这里,一个重要的需要做出调整,当光子的一个特定的波长和强度影响二极管表面,它作为电流源依赖响应传入的参数。使用这个模型,我们可以获得关键参数的表征太阳能电池短路电流、开路电压和填充因子以及太阳能电池效率(38]。

3所示。造型

我们工作的目标是开发的造型方法模拟的物理设备。为此,我们分析了三个不同带隙的设备组成的冥界和降低磺化石墨烯氧化物如rSGO-1 rSGO-2, rSGO-3。这里的目标是重建中演示的物理设备层(25),然后使用传输方程得到电流密度作为太阳能电池电压的函数对这些设备。模型分析了使用有机太阳能模块以及阿特拉斯模拟器(包括部分Silvaco TCAD套件),表中列出的测试材料1。模拟的结果,即,J-V analysis, are then compared with the J-V curves obtained from the characterization of the physically implemented solar cell [25]。

P3HT的造型:PSC设备需要我们选择一个合理的数值迭代的起点。而鳗鱼和冥界可以改变在雅典娜和Silvaco,太阳能电池的横截面积保持在1厘米², , ,和光敏 厚,通过记住物理设备测试(25]。在我们的模型设备,我们考虑网格的设计考虑。这是一个重要的参数,它需要网格交点(称为节点),这是要用一个数学模型来获得设备设计的重要参数。这些节点优化很重要,因为这直接影响模型运行所需的时间以及它的精度。一般的经验法则是所需的数学运算可以被描述为实现一个解决方案 在哪里被定义为节点的数量,然后呢是迭代参数(通常是1.5 - -2.0)的顺序(39]。同样重要的是要记住,我们确保充足的网格密度与高磁场区域以及避免网格密度的不连续性。流动模型,我们利用估计设备特点是Poole-Frenkel模型(40,41)结合朗之万复合模型(42对我们的设备)。这是因为这些传统模型用于BHJ设备。作为验证过程的一部分,该方法首先检测太阳能电池由美洲等建议。43,44程序集后),我们的建模技术在有机太阳能。验证后的响应模型符合实验技术,我们继续P3HT的发展:PSC设备。在造型的主要挑战是获得所需的重复迭代数值解的数据价值。这需要工作的知识功能的材料用于制造设备,这对于某些材料,如氧化锌和TiO₂是一个常数。因此,我们跑不同的迭代的误差函数最小化HOMO和四能级,结合能,生成率、带隙,亲和力,介电常数,电子和空穴迁移率和功函数,在别人。广泛通过这样做,我们得到的估算值的参数将会不久。

4所示。结果与讨论

我们使用的数据的价值,分析光伏性能的有机太阳能电池的电流密度、电压和填充因数以及太阳能电池效率。这些都是列在表中2被测试的物理设备。

模型的参数发现设备展示在表3。这里,我们现在不仅开路电压和短路电流密度也最大输出功率等关键参数等设备。

我们还展示了这里的相对误差的计算模拟和实验设备。这样做是为了所有的测试设备和提出了表4。可以看到,错误的估计,与实验结果相比,小于0.15为几乎所有的参数测试,除了少数例外,表明作为第一近似,我们的建模技术性能很好,可以用来设计有机太阳能电池电子和洞萃取层。这里我们注意,错误太阳能效率指数,模仿和制造设备,大于所有其他参数,因为它包含了所有的偏差jv曲线用于计算最大功率。

实验和模拟电流密度电池电压的函数图中描述3。我们这里需要注意的是,尽管Silvaco允许变化的冥界和鳗鱼工作功能,为了简单起见,我们保持常数。设备的制造结构(图1)包括生理缺陷、环境因素和晶界与材料相关的原始形式以及重组在后续处理。这可能会改变一些的条件通常是固定的,而造型理论框架内的结构/设备/控制设计法。

5。结论

三种不同BHJ-based聚合物太阳能电池的设计和测试,对类似的制造设备,为输出的特点,随后分析和数据提取,。我们也为特征的光电性能装置包括电流密度和细胞电压,功率分析,照片和填充因数以及效率。此外,著名的相对误差指标的价值也被提出的数据显示,该模型估计几乎所有的数据价值的实验数据与计算误差不到20%。这样做的好处是,postdesign分析和优化变得更加容易和方便。此外,我们现在有测试差异的机制提出了设备比之前更快速和具有成本效益的方式。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突存在于这项工作。

确认

Ali Asghar先生(25)承认捏造的聚合物太阳能电池具有类似结构设计作为比较的工作。

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