Исследование влияния толщины пленки TiO2 на фотоэлектрические характеристики перовскитовых солнечных элементов

В настоящее время наиболее широко исследуемыми солнечными элементами являются перовскитовые солнечные элементы, поскольку они обладают высокими фотоэлектрическими параметрами, в частности коэффициент полезного действия (КПД) достигает 15−20%, а их технология изготовления не требует энергоемких и сложных технологических процессов. Однако, несмотря на интенсивные исследования, по-прежнему недостаточно изучена возможность оптимизации конструкции и практический предел КПД данных солнечных элементов [1, 2].

В данной работе представлена разработанная стационарная физико-топологической модель перовскитового солнечного элемента, с помощью которой исследовано влияние толщины пленки диоксида титана (TiO₂) на фотоэлектрические характеристики данных солнечных элементов, в частности КПД.

Нанокристаллические пленки TiO₂ используются в перовскитовых солнечных элементов в качестве прозрачного материала n-типа проводимости и дырочного блокирующего слоя. Толщина пленки TiO₂ оказывает существенное влияние на характеристики солнечного элемента [2]. Толстая пленка повышает сопротивление переносу носителей заряда за счет увеличения расстояния проходимого электронами от слоя перовскита к TCO-контакту (прозрачный проводящий оксид). Кроме того, толстая пленка TiO₂ уменьшает светопоглощение перовскита. Тонкая пленка TiO₂ может не полностью покрывать подложку, что приводит к нежелательному контакту слоя перовскита с TCO и значительному возрастанию рекомбинационных потерь. Следовательно, оптимизация толщины пленки TiO₂ может способствовать снижению рекомбинационных потерь и повышению КПД солнечного элемента.

Описание модели Конструкция моделируемого перовскитового солнечного элемента с p-i-n гетероструктурой состоит из светопоглощающего материала перовскита CH₃CN₃PbI_3-xCl_x в сочетании с электронным (TiO₂) и дырочным (Spiro-OMeTAD) транспортными слоями. Для формирования омических контактов к транспортным слоям используются TCO (SnO₂: F) и серебро (Ag) соответственно [3−5]. Фотогенерированные электроны и дырки дрейфуют и диффундируют через перовскитовый материал и транспортные слои nи p-типа к контактам.

Физико-топологическая модель перовскитового солнечного элемента основана на диффузионно-дрейфовой системе уравнений полупроводника, включающей стационарные дифференциальные уравнения непрерывности для определения концентраций электронов и дырок, а также уравнение Пуассона для расчета напряженности электрического поля в слоях гетероструктуры [6, 7]:

(1).

(2).

(3).

пленка солнечный дрейфовый полупроводник где n, p — концентрация электронов и дырок; м_n, м_p — подвижности электронов и дырок; ц — электростатический потенциал; ц_T — температурный потенциал; V_n, V_p — гетероструктурные потенциалы в зоне проводимости и в валентной зоне; q — элементарный заряд; е — относительная диэлектрическая проницаемость; е₀ — электрическая постоянная; G — скорость оптической генерации электронно-дырочных пар; R — скорость рекомбинации электронно-дырочных пар; N_D — концентрация донорной легирующей примеси; N_A — концентрация акцепторной легирующей примеси.

Процессы накопления носителей заряда в гетероструктуре описывались с использованием модели генерации носителей заряда в спектральном диапазоне поглощения перовскита на основе закона Бугера-Ламберта и аппроксимации солнечного спектра АМ1.5 спектром теплового излучения при температуре 5780 К [4, 8], а также рекомбинации носителей заряда через ловушки Шокли-Холла-Рида (рекомбинация на примесных центрах), которая применялась для всех слоев гетероструктуры [6].

Выходное напряжение в солнечном элементе определялось как разность потенциалов на контактах гетероструктуры, т. е. между квазиуровнем Ферми для электронов на границе TCO/TiO₂ и квазиуровнем Ферми для дырок на границе Spiro-OMeTAD/Ag.

Реализация физико-топологической модели осуществлялась численно с помощью разработанных программ на языке MATLAB (при решении использовался итерационный метод Гуммеля) [9−10], позволяющие осуществлять моделирование p-i-n гетероструктуры перовскитового солнечного элемента с различными электрофизическими и конструктивно-технологическими параметрами.

Результаты моделирования Моделирование осуществлялось для одномерной координатной сетки в предположении равномерного освещения гетероструктуры перовскитового солнечного элемента спектром солнечного излучения АМ1,5 со стороны пленки TiO₂. В результате численного моделирования получены вольт-амперные характеристики перовскитовых солнечных элементов при толщине пленки TiO₂ от 0 до 300 нм (рис. 1, а) и построена зависимость КПД от толщины пленки TiO₂ (рис. 1, б).

пленка солнечный дрейфовый полупроводник.

а б Вольт-амперные характеристики солнечных элементов (а) и зависимости КПД от толщины пленки TiO₂ (б) Из рис. следует, что плотность тока короткого замыкания, напряжение холостого хода и КПД солнечных элементов постепенно снижается с увеличением толщины пленки TiO₂ вследствие поглощения части падающего излучения пленкой TiO₂, возрастающей объемной рекомбинации, а также увеличением последовательного сопротивления солнечного элемента. Так как электроны переносятся к TCO через слои TiO₂ и перовскит, а перенос электронов в перовските происходит на несколько порядков быстрее (µ_{перовскит} = 2 см²/В· с, µ_TiO2 = 10^-3 см²/В· с), то рекомбинация на границе TCO / перовскит осуществляется довольно быстро, поэтому более толстая и менее проводящая пленка TiO₂ уменьшает рекомбинационные потери [2] и улучшает характеристики солнечного элемента.

В результате получено, что перовскитовые солнечные элементы с блокирующей нанокристаллической пленкой TiO₂ толщиной 50−100 нм обладают наилучшими фотоэлектрическими характеристиками и показывают максимальный КПД.

В данной работе предложена численная стационарная диффузионно-дрейфовая модель, которая позволяет исследовать физические процессы, протекающие в перовскитовых солнечных элементах с p-i-n структурой при различных значениях электрофизических и конструктивно-технологических параметров.

Получены фотоэлектрические характеристики перовскитовых солнечных элементов при толщине пленки TiO₂ от 0 до 300 нм и построена зависимость КПД от толщины пленки TiO₂. Показано, что увеличение толщины пленки TiO₂ больше 100 нм приводит к уменьшению КПД солнечных элементов преимущественно за счет увеличения частичного поглощения солнечного излучения и величины последовательного сопротивления. Установлено, что оптимальная толщина пленки TiO₂ составляет 50−100 нм, что способствует получению максимального КПД.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16−38−204 мол_а.

• 1. Hyun Suk Jung, Nam-Gyu Park. Perovskite Solar Cells: From Materials to Devices // Small, 2015. Vol. 11. № 1. pp. 10−25.
• 2. X. Wang, Y. Fang, Lei He, Qi Wang, Tao Wu. Influence of compact TiO₂ layer on the photovoltaic characteristics of the organometal halide perovskite-based solar cells // Mat. Sci. in Semicon. Proc., 2014. Vol. 27. pp. 569−576.
• 3. Takashi Minemoto, Masashi Murata. Device modeling of perovskite solar cells based on structural similarity with thin film inorganic semiconductor solar cells // Journal of applied physics, 2014. Vol. 116. pp. 540−550.
• 4. Wei E.I. Sha, X. Ren, Luzhou Chen, C.H. Choy. The efficiency limit of CH₃NH₃PbI₃ perovskite solar cells // Appl. Phys. Lett., 2015. Vol. 106. pp.22−25.
• 5. Mingzhen Liu, Michael B. Johnston, Henry J. Snaith. Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition // Nature, 2013. Vol. 501. pp. 395−398.
• 6. Yecheng Zhou, Angus Gray-Weale. A numerical model for charge transport and energy conversion of perovskite solar cells // Physical Chemistry Chemical Physics, 2016. Vol. 18. pp.4476−4486.
• 7. Malyukov S.P., Sayenko A.V., Ivanova A.V. Numerical modeling of perovskite solar cells with a planar structure // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016. Vol. 151. pp. 120−123
• 8. Малюков С. П., Саенко А. В. Разработка модели сенсибилизированного красителем солнечного элемента // Известия ЮФУ. Технические науки, 2014. № 1. С. 120−126.
• 9. Саенко А. В., Малюков С. П., Клунникова Ю. В., Бесполудин В. В., Бондарчук Д. А. Моделирование процесса лазерного отжига пленки TiO₂ для применения в солнечных элементах // Инженерный вестник Дона. 2016. № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3517.