بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، اثر مهندسی سطح مشترک در ساخت سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح شبیهسازی گردید. برای این منظور در مرز مشترک لایه فعال سلول خورشیدی با لایههای مجاور، بواسطه ناهمواریهای سطحی که در حین ساخت ایجاد میگردند، دو لایه IL1 و IL2 در نظر گرفته و به ساختار متعارف سلول پروسکایتی اضافه گردید. بعنوان مهمترین مشخصه در بررسیهای اپتیکی، تابع دی الکتریک دو لایه، توسط تئوری مؤثر بروگمن تخمین زده شد.
در ادامه تأثیر ضخامت لایههای IL1 و IL2 بر کارایی سلول خورشیدی پروسکایتی با استفاده از روش تئوری TMM و روش شبیهسازی FDTD جهت مدل توسعه داده شده، بررسی گردید. نتایج نشان میدهند که ضخامت لایههای IL1 و IL2 تأثیر شدیدی بر جذب جزئی لایه فعال دارا میباشند که باید در ساخت سلول پروسکایتی مسطح در نظر گرفته شوند.
-1 مقدمه
ساختار پروسکایتی به ساختار بلورین مشابه با ساختار نمونه اولیه CaTiO3 برمیگردد. ساختارهای پروسکایتی فرم کلی ABX3 را دارا میباشند که برای سلول خورشیدی Ch3Nh3PbI3، کاتیون A یون متیل آمونیوم، B سرب و X هالید میباشد. متیل آمونیوم سرب یدید - Ch3Nh3PbI3 - یک نیمهرسانا با باندگپ مستقیم ~1/55 eV میباشد و آن را بعنوان یک جذاب خوب برای طیف مریی تابش خورشیدی در ساختار سلول خورشیدی معرفی میکند که برای اولین بار نیز در سال 2009 معرفی شد.
میاساکا و همکارانش پروسکایتهای ارگانومتالیک را در سلولهای خورشیدی حساس به رنگینه - DSSC - به کار بردند و بازدهی در حدود 3,8 را به دست آوردند.[1] در ادامه محققان متعددی به بررسی سلولهای خورشیدی پروسکایتی پرداخته و نتایج جالب توجهی را دربارهی بازدهی بالا با روشهای مختلف ساخت به دست آوردند. اخراًی محققان بازدهی ~ 22 را گزارش کردهاند
جدای همه موارد مثبت ذکر شده، هنوز انواع سلولهای خورشیدی - از جمله سلولهای پروسکایتی - نیاز به بازدهی و طول عمر بیشتری دارند تا در رقابت با منابع انرژی فسیلی، اقتصادیتر شوند. برای ساخت سلول خورشیدی مسطح روشهای لایه نشانی چرخشی تک و دو مرحلهای وجود دارد. در این میان مهندسی سطح لایههای نازک یکی از گزینههای بسیار مهم در غلبه یافتن بر نقاط ضعف سلولهای خورشیدی میباشد3]و.[4 در این تحقیق جهت بررسی اثرات وابسته به سطح تماس مشترک لایهها ، دو لایه مؤثر بین "لایه پروسکایتی/ لایه عبور دهنده حفره" و "لایه پروسکایتی/ لایه عبور دهنده الکترون" نسبت میدهیم - این لایهها به ترتیب I L1 و I L2 نامگذاری گردیدند - .
درواقع بهواسطه ناهمواری - roughness - دو لایه در محل تماس، میتوان محل تماس را یک لایه کامپوزیتی دانست که ترکیبی از لایههای بالایی و پایینی است - شکل . - 1 در این تحقیق به شبیهسازی اثرهای اپتیکی تداخلی منتج از در نظر گرفتن این دو لایه I L1 و I L2 بر طیف جذبی لایه فعال سلول خورشیدی - شامل اثرات تداخلی و طیف جذبی جزئی - پرداختهشده است.برای این منظور از روش تفاضل محدود در حوزه زمان - - FDTD استفاده گردید.
-2 روشهای مورداستفاده در شبیهسازی
1-2 روش شبیهسازی FDTD
روش FDTD یکی از روشهای عددی حل معادلات ماکسول میباشد. مزیت اولیه روش FDTD سرراست بودن آن در کار با سلول مکعبی "یی" بوده بطوریکه مؤلفههای میدان الکترومغناطیسی در نقاط مختلف فضای شبیهسازی بهطور مستقیم و بدون نیاز به معکوس کردن ماتریس محاسبه میگردند. بمنظور در نظر گرفتن پاشندگی محیط در بررسیهای اپتیکی نیاز به دانستن تابع دی الکتریک حقیقی- موهومی - یا معادل آن ضریب شکست حقیقی - موهومی - میباشد که برای مواد سلول پروسکایتی توسط محققان بواسطه روشهای تجربی مرتبط، اندازهگیری شده است - شکل .[5] - 2 برای انجام شبیهسازی FDTD از محیط نرمافزاری لومریکال استفاده گردید.
جهت تابش نور
شکل :1 نمایش نوعی سلول پروسکایتی مسطح. ازآنجاییکه سطح مشترک لایهها در یکدیگر فرورفتگیهایی دارند، لایههای مجاور MAPbI3 با دو لایه HTL و ETL با دو لایه مؤثر جایگزین گردیدند بهاینترتیب که با در نظر گرفتن IL1 و IL2 ، مدل مورد استفاده در شبیهسازی، توسعه داده شد. از این سلول جهت شبیه سازی FDTD استفاده شده است.
2-2 روش محیط مؤثر بروگمن - Bruggeman -
در نظر گرفتن تابع دی الکتریک حقیقی-موهومی برحسب طولموج برای لایه I L1 و I L2 کار سادهای نیست. این دو لایه حدس زده شده درواقع ساختاری دارند که ترکیبی از جنس دو لایه مجاور سطح مشترک میباشند.
شکل :2 نمایش مقدارهای ضریب شکست حقیقی - n - و موهومی - k - بر حسب طول موج مربوط به ماده پروسکایتی. تمامی ضریب شکست های مورد استفاده از مرجع [ 5] اقتباس گردیده اند.
جوابهای شبیهسازی سلول پایه بدست آمده از روش FDTD با روش تئوری TMM استفاده گردید . جهت روش TMM از کدی در محیط متلب استفاده شد.
-3بحث و نتایج
در ابتدا برای سلول پایه بدون I L1 و I L2 توان بازتاب، توان جذبی و توان عبوری مربوط به کل ساختار سلول پایه شبیهسازی گردید. همانگونه که در شکل 2 ذکر گردید، از مرجع [5]، جهت ضریب شکست مواد مورد استفاده در طول موج های مختلف استفاده گردید.
ساختار و ضخامت سلول پایه عبارت است از :
Au/Spiro/Perovskite/TiO2/FTO
برای غلبه بر این مشکل یک راه استفاده از روش محیط مؤثر میباشد. در این تحقیق از روش محیط مؤثر بروگمن جهت محاسبه تابع دی الکتریک لایههای I L1 و I L2 استفاده شد
که در آن f کسر حجمی ، ε1 و ε2 تابع دی الکتریک دو محیط مجاور و εef f تابع دی الکتریک لایه مؤثر میباشند. در این بررسی f برابر 0/5 انتخاب گردید. برای تعیین εef f بر اساس روش بروگمن، کدی در محیط متلب برنامهنویسی گردید.
3-2 روش ماتریس انتقال - TMM -
تئوری حاکم بر این روش به فراوانی در دسترس می باشد. در این روش، ماتریس کلی سیستم چندلایهای به صورت زیر تعریف میشود :
که K تعداد لایهها، فاز ضخامت هر لایه، هدایت ظاهری نوری برای هر لایه که برای قطبش sوp متفاوت میباشد. درنهایت، توان عبور - T - و بازتابش - R - ، نسبت شدت ورودی| | بهشدت بازتاب شده یا عبور کرده، تعریف میگردد و جذب عبارت است از: .A=1-T-R
در این تحقیق برای بررسی صحت انجام شبیهسازی سلول خورشیدی بهوسیله روش شبیهسازی FDTD، از مطابقت
100 nm/400 nm/500 nm/50 nm/400nm مطابقت خوب توان بازتاب کل محاسبهشده با روش TMM و روش FDTD - شکل - 3، نمایشی از صحت شبیهسازی انجامگرفته بر اساس روش FDTD میتواند در نظر گرفته شود. به علت لایه فلزی طلا در انتهای ساختار، توان کل عبوری نزدیک به صفر است.
شکل : 3 منحنیهای توان کل بازتاب، عبور و جذب مربوط به سلول پروسکایتی پایه شبیهسازیشده توسط .FDTD توان کل بازتابیده شده به روش TMM نیز جهت مقایسه دو روش، نشان داده شده است.
همانگونه که شکل 3 نشان میدهد جذب خوبی برای کل ساختار وجود دارد. این جذب در محدوده مادونقرمز بهشدت کاهش پیدا میکند که با توجه به گاف پروسکایت که نزدیک 1,5 eV میباشد - حدود - 800 nm معقول به نظر میرسد. در ادامه ساختار سلول پروسکایتی متعارف را توسعه داده و دو لایه ی مفروض IL1 و IL2 را به ساختار اضافه کردیم. در نمونه های مختلف، برای این دو لایه به صورت همزمان ضخامتهای 10nm، 20nm، 30nm، 40nm، 50nm را در نظر گرفتیم
