文摘

在第三代太阳能电池的时代,发展的重要趋势钙钛矿太阳能电池(PSC)观察。探索合适的材料以其晶片结构,如钙钛矿和电子传输层(ETL),是主要的高性能PSC发展的重点。因为它的匹配MaPbI带结构₃,TiO₂是最经常使用ETL的材料。然而,在TiO的应用₂PSC,电子捕获和宽能隙成为缺点。本研究的目的是提高PSC使用ETL的吸收性能和铁Ta-doped TiO₂以及材料的厚度。光的电磁波之间的交互和太阳能电池结构使用的时域有限差分(FDTD)模拟计算,导致吸收光谱。相比于纯TiO₂只有79.5%的入射光吸收,Fe-TiO₂和Ta-TiO₂ETL在太阳能电池吸收光谱增加到81.7%和81.2%,分别。最后,我们可以得出这样的结论:最优ETL 0.32%铁掺杂层参数和100纳米的厚度。

1。介绍

环境的担忧,特别是为后代温室效应的影响,促使发展替代能源,如太阳能、风能、生物质能在最近几十年(1]。太阳能被认为是最丰富的,可持续发展,生态有益的可再生能源在这些(2,3]。因为他们的效率高的超过25%,钙钛矿太阳能电池(PSC)吸引了很多利益4- - - - - -8]。钙钛矿是一种混合有机-无机methylammonium MaPbX卤素铅₃( ; ,Br, Cr)材料具有优良的光电性能,如隙可调性,光吸收系数高,长时间的扩散长度(9,10]。

PSC的发展取决于几个因素,包括钙钛矿层,电子传输层(ETL),和空穴传输层(HTL),正如前面Azri等人研究了和Hasanah et al。11,12]。ETL功能提取和传输photogenerated电子和抑制电荷复合堵洞作为一个重要的活动在太阳能电池设备13]。因此,ETL需要有很高的电荷迁移,足够的能量水平对齐,和相关的形态学和界面性质14]。TiO₂是一个著名的材料,已经广泛应用于PSC由于其良好的对齐传导带的最低未占据分子轨道(LUMO)的活跃层钙钛矿11]。然而,TiO₂有low-coordinated Ti阳离子表面,提供电子陷阱由于地势低洼的Ti 3 d和这个条件减少电荷迁移率(15]。TiO宽能隙₂限制了吸收,只有在紫外光区域,从而影响PSC吸收性能(16]。

TiO的增强₂属性通常与高贵的金属离子,通过掺杂过渡金属,稀有金属(17]。搀杂剂可以是函数来减少电子陷阱的网站,因为他们可以取代low-coordinated Ti阳离子。由一定数量的电荷迁移率可以提高掺杂物,引发激子分离(17]。TiO₂是一种n型半导体,搀杂剂可以在TiO吗₂分为两种类型。首先,五价的阳离子(Nb,助教,等等)增加TiO的电子导电率₂因此能源缺口18]。第二,二价或三价阳离子(铬、铁、镍、有限公司等等)可以用来转换TiO₂p型和减少能源缺口19]。

与MaPbI PSC的吸收性能₃研究了在这项研究中使用不同类型的TiO₂ETL兴奋剂。钽(Ta)和铁(Fe)浓度的1.8%和3.8%,0.11%和0.32%的浓度被雇佣为掺杂剂材料。TiO的厚度₂的ETL也是模拟调查薄和厚的ETL的效果。仿真获得了利用时域有限差分(FDTD)方法,利用麦克斯韦方程计算。的吸收光谱具有波长从300年到1500海里,结果给出了在任意单位吸收比例和索引。最后,这项研究应该提供掺杂TiO的最佳参数₂在PSC的ETL。

2。方法

利用光学模型来研究掺杂TiO的吸收性能₂的PSC在这项研究中。Lumerical Ltd .)的时域有限差分(FDTD)模拟使用麦克斯韦方程来表示电磁光波之间的交互和太阳能电池结构。数值模拟已经广泛用于各种应用,包括光伏(PV)研究[20.]。入射光带宽用于这项工作是300 - 1500 nm,基于AM1.5频谱的分辨率12海里;光子通量是其他地方的高带宽但低(21]。光吸收表示为每个波长和制定使用

是给定的单位体积功率吸收波长,然后呢吸收器的体积,计算使用吗 在哪里的角频率是光波长和对应介质介电常数的虚部和吗电场强度。

太阳能电池的性能是决定使用折射率的FDTD模拟作为基本材料参数。伊藤TiO₂,MaPbI₃、CuSCN和非盟被用作前面接触,电子传输层(ETL),吸收/钙钛矿层、空穴传输层(HTL),和背部反射器,分别在PSC结构如图1。早期研究[22- - - - - -24)是指这些材料复杂的折射率和厚度。与此同时,ETL优化研究中通过不同的掺杂材料和厚度。钽掺杂物使用1.8%和3.8% (Ta)产生Ta-TiO₂和0.11和0.32%生产Fe-TiO铁(Fe)₂。厚度也不同20 nm, 50 nm, 100 nm、200 nm和500 nm。掺杂TiO的折射率₂计算使用折射index-bandgap关系获得Reddy和Ahammed25,26]。

PSC结构进行数值模拟的二维网状细胞,网状准确率的3。中使用的光源 - - - - - -轴振幅和波长的平面波模式1和300 - 1500 nm,分别。的 - - - - - -轴是用完美匹配层(PML)边界条件(BC)最大化入射光捕获。与此同时,周期性BC的应用 - - - - - -轴,假设的无限周期结构27,28]。一个2 d - - - - - -正常的频域字段和权力监控被夹到层吸收了记录。的一般调查获得的结构放置ITO-TiO之间的监控₂和CuSCN-Au。三维频域字段和权力监控也用来记录电场概要分析PSC的场分布结构。最后,吸收曲线 - - - - - -字段配置文件可以生成所需的结构和层次的模拟。

3所示。结果与讨论

3.1。PSC层吸收性能的贡献

种的方法,预应力混凝土结构在这项研究中,由五层不同材料和功能。根据Shockley-Quisser理论,MaPbI的直接带隙₃1.5 - -1.6 eV (10]。MaPbI的吸收系数₃280纳米的厚度是80%的入射光在阳光采集范围29日]。因此,这些钙钛矿材料吸收层的极佳人选产生高PSC性能。CuSCN隙3.4 eV是HTL中使用,因为它有最高的效率与其他HTL P3HT等材料相比,Spiro-OMeTAD,崔,NiO。支持的效率在HTL CuSCN excellentalignment的最高占据分子轨道(人类)水平CuSCN钙钛矿价带的层(11]。TiO的₂隙3.2 eV用于ETL还用于提高PSC的性能。TiO Azri等人报道₂获得了20.26%的最佳效率与ITO相比,PCBM, IGZO, SnO₂(11]。类似于HTL,良好的ETL应该有一个足够的传导带对齐最低未占据分子轨道(LUMO)钙钛矿活跃的层11]。

每个材料的吸收光谱分别模拟并显示在图中2(一个)理解的贡献每一层的吸收性能提出了PSC结构。灰色阴影曲线平面代表整个PSC的吸收结构,绿色,紫色,红色,和蓝色曲线的飞机代表每个材料的吸收层,包括TiO ITO₂,MaPbI₃,CuSCN。可以看出MaPbI₃层最有助于吸收活动,它对应于它的功能作为一个活跃或吸收层。吸收最高达到0.92 - -0.95在400 - 750纳米波长,然后明显下降到0.1在800 - 1400海里。另一方面,伊藤作为一个前接触吸收最低0.04 - -0.20,表明合适的功能,因为入射光不困在ITO和传播活动层。TiO₂和CuSCN低吸收不同波长的产生一个明显的峰值,TiO₂产生一个峰值在312 nm和CuSCN产生一个峰值在911海里。

可以看到,每一层的吸收光谱收集相互支持构建完整的结构光谱。吸收的总光结构达到了79.5%,平均吸收0.795通过检查短的波长范围300 - 800 nm,如图2 (b)假设剩余的空白入射光的反射损失。这是入射光的反射损失,不是吸收结构。在本节中,我们展示了TiO₂贡献作为一个ETL层仍然是最小的。目前的研究将通过掺杂和厚度优化修改,将研究和增强效果比较图2。

3.2。使用掺杂TiO吸收优化₂的ETL

在这项研究中,两个对比材料的特点,即助教和铁,用于掺杂的变化。助教被认为是一个五价的阳离子,可以增加TiO的电子导电率₂和健壮的n型特征(18]。因此,Ta掺杂可以扩展TiO的能隙₂,即3.5 eV和3.7 eV, Ta-TiO 1.8%₂和3.8% Ta-TiO₂分别为(30.]。与此同时,铁掺杂其中包括修改TiO二价或三价阳离子功能₂p型。Fe-doped TiO₂可以减少从3.2 eV能带到2.76 eV和2.68 eV Fe-TiO 0.11%₂和0.32% Fe-TiO₂分别为(19]。在本节中,发现掺杂的影响在ETL、纯TiO的吸收光谱进行了比较₂,如图3。ETL厚度保持不变,为每个掺杂研究90海里。

根据图3,在活性层吸收增加掺杂的修改。最重要的改善记录约350海里,520 nm和911 nm。的波长520 nm左右,掺杂TiO₂0.98的ETL实现了吸收。TiO相比₂0.2与0.88的ETL吸收,表明少1.0和0.1的最大吸收增强。的总光吸收,Fe-TiO掺杂ETL增加到81.7%₂81.2%,Ta-TiO₂,分别。这一发现还透露,菲掺杂略大于Ta掺杂,平均吸收0.816和0.810,分别在300 nm和800 nm之间。高铁掺杂性能对应于一个减少隙,并减少TiO₂隙扩展光吸收可见光。低能带隙使材料更接近最优能带的太阳能电池1.4 - -2.4 eV (31日]。只有微弱的吸收光谱不同,因为在Fe-TiO低掺杂浓度₂。然而,结果表明,提高掺杂浓度导致了更重要的收获。

掺杂效应也可以观察到从PSC结构电的状况 - - - - - -正常的飞机。在图4电剖面的对比与ETL TiO PSC结构₂和0.32% Fe-TiO₂是显示。这个概要文件在图4发生在一个特定的波长优化基于吸收光谱图3包括370 nm、516 nm、768 nm和912 nm。指的是方程(2);的 - - - - - -场吸收能力成正比, 。传说表明,颜色从深蓝转向红色表明一个更大的 - - - - - -字段。对于每一个波长,Fe-TiO电强度产生的0.32%₂的PSC比TiO高₂的PSC。有0.32% Fe-TiO₂,高 - - - - - -领域更聚集在前面的接触表面,直到它进入活跃层随着波长的增加。

通常,可以增强光吸收在PSC修改ETL领导共振和光学增强。等纳米结构光子晶体已经报道结果高性能PSC (1,21]。由于强烈的吸收对折射率的依赖,厚度的研究也可以优化PSC的一种简单而有效的方法。Tooghi等人报道空穴传输层(HTL)厚度的影响吸收,它表明,薄HTL,获得更好的性能(32]。自ETL放置在前面的活跃层,厚度不应太厚,可阻止入射光传输不太瘦也不应该优化电子传递活动(32]。几项研究在PSC TiO应用₂的ETL的厚度范围10 - 700海里(33- - - - - -37]。在这项研究中,0.32% Fe-TiO的厚度₂的ETL不一20 nm, 50 nm, 100 nm、200 nm和500 nm。500海里ETL波动的吸收光谱,如图5,这表明入射光反射回空气在特定波长。ETL的薄层产生更稳定的吸收,但它已在波长650 - 700纳米的下降。提供最优吸收100纳米的厚度、光谱是下降了约750海里,峰值发生约911海里。最后,它可以得出结论,Fe-TiO的最佳厚度₂的ETL约100海里,光吸收约81%。

最后,提出PSC展现了出色的吸收性能。如表所示1、助教和Fe-doped TiO₂有更高的吸收比例比其他掺杂物在先前的研究报道。因为高强度的太阳光谱AM1.5 [38),在一个指定的比较波长446 nm。

4所示。结论

在这项研究中,PSC-doped TiO的吸收增强₂已成功通过优化掺杂剂,浓度,ETL和厚度。FDTD方法被用来模拟PSC,由五层构成的,包括TiO ITO(前面接触)₂(ETL), MaPbI3(主动/吸收层),CuSCN (HTL)和非盟(接触)。应用铁和Ta TiO兴奋剂₂导致较高的入射光吸收的81.7%和81.2%,分别,而纯TiO₂获得低吸收的79.5%。然而,掺杂浓度的影响不能进一步研究由于轻微的性能差异。一般来说,Fe-TiO 0.32%₂提出了PSC的最佳ETL层结构由于其减少能带的能力。厚度优化表明,厚ETL,光谱越波动,和薄ETL,更短的波长的光谱下降。最后,Fe-TiO₂与100纳米的厚度得出优化研究PSC ETL层。提出的设计预计交付高太阳能电池性能在短路电流,开路电压、填充因子、和能量转化效率。

数据可用性

参数数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

印度尼西亚的教育和文化部资助这项研究批准号278 / UN40.LP / PT.01.03/2021。作者感谢意大利Pendidikan印尼提供的研究设施和支持。