بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی عملکرد سلول خورشیدی شاتکی لایه نازک پرواسکایت CH3NH3PbI3 - 1-x - Br3x در محیط نرم افزار Silvaco پرداخته شده است. تاثیر مشخصات لایه پرواسکایت، اتصالات الکتریکی و تاثیر توابع کار الکترود های بالا و الکترودهای پایین بر ولتاژ مدار باز، جریان اتصال کوتاه، پاسخ طیفی، بازده و ضریب پری سلول خورشیدی مدل سازی شده است. بر اساس نتایج شبیه سازی بالاترین جریان اتصال کوتاه در سلول خورشیدی لایه نازک پرواسکایت به ازای تابع کار الکترود پایین بزرگتر از 4/7 eV حاصل شده است. همچنین، بالاترین ولتاژ مدار باز به ازای تابع کار الکترود پایین بزرگتر از 5/93 eV حاصل شده است . با افزایش تابع کار الکترود پایین تا 5/93 eV، مقدار ضریب پری افزایش یافته و برای تابع کار الکترود پایین بزرگتر از 5/93 eV ضریب پری ثابت است. در نهایت امر بالاترین بازده تبدیل انرژی به ازای تابع کار الکترود پایین 5/93 eV و برابر با 21/53 درصد بدست آمده است. بازده بدست آمده از این ساختار نشان دهنده بازده بالای سلول خورشیدی پرواسکایت می باشد.
کلید واژه- سلول خورشیدی، پرواسکایت، بازده بالا.
-1مقدمه
با پیگیری کارهای صورت گرفته در نسل سوم سلول های خورشیدی، محلول های مواد آلی و غیر آلی پرواسکایت توجه زیادی را به عنوان یک محصول سبک برای سلول های خورشیدی به خود جلب کرده است .[1] برخلاف صفحات سیلیکونی، صفحات پرواسکایت را می توان با مصرف انرژی کم، بدون نیاز به تجهیزات پیچیده و تنها در چند مرحله تولید کرد .[2] پرواسکایت به عنوان نوع خاصی از ماده ی خورشیدی توسط معدن شناس روسی به نام L.A.perovski در سال 1856 مطرح شد و او نام پرواسکایت را برای این ماده برگزید که اکثر مواقع به عنوان یک ماده نوید دهنده برای نسل های آتی سلول های خورشیدی مطرح بود .[3] مبحث مواد پرواسکایت آلی و غیر آلی بوسیله TopsRe در سال 1884 مطرح شد .[4] ساختار موادپرواسکایت که غالباً مطالعه میشود، متیلآمونیوم سرب تریهالید است که منجر به چندین مزیت نسبت به سلولهای خورشیدی سیلیکونی مرسوم مثل سادگی پردازش و هزینه کمتر می شود .[5]
افزایش مؤثری در مقدار بازده سلول های خوشیدی که در آنها موادپرواسکایت وجود دارد، دیده شده است. از ویژگی های مهم سلول های خورشیدی پرواسکایت می توان به تحرک حمل بار بالا، دامنه جذب طیفی تغییر پذیر و انتشار نور در دراز مدت اشاره کرد.[6] بازدهی سلول های خورشیدی پرواسکایت به طور چشمگیری در چند سال اخیر افزایش یافته است. بازدهی این سلول ها از %3/1 در سال 2009 به %20/1 در سال 2015 رسیده است .[7] در این مقاله با تغییر الکترودها بازده %21/53 برای سلول خورشیدی لایه نازک پرواسکایت بدست آمد که در مقایسه با دیگر سلول های خورشیدی پرواسکایت، دارای کیفیت بالاتری با ضریب پری%90/45 وضخامت کمتر و بازدهی بالایی است.
-2 روش تحقیق
سلول خورشیدی پرواسکایت لایه نازک ارائه شده در این مقاله با استفاده از روش شبیه سازی بر مبنای تفاضل محدود حوزه زمان - FDTD - ایجاد و تحلیل شده است. با استفاده از نرم افزار سیلواکو و روش حل عددی نیوتن ساختار سلول خورشیدی در این مقاله شبیه سازی می شود. در این روش قسمت شبیه سازی شده ابتدا شبکه بندی شده است و معادلات ماکسول در فضای این شبکه ها حل می گردند و میدان الکتریکی - E - و میدان مغناطیسی - H - به دست می آید.
-3 ساختار و عملکرد سلول خورشیدی لایه نازک
پرواسکایت CH3NH3PbI3 - 1-x - Br3xضریب شکست ماده پرواسکایت برمید-یدید سرب آمونیوم متیل - CH3NH3PbI3 - 1-x - Br3x - 0 x 1 - - در شکل1نشان داده شده است .[8]بنابراین ضریب جذب پرواسکایت بصورت شکل2 و مطابق رابطه زیر خواهد بود.α شکاف باند انرژی، k مقدار ثابت و λ طول موج هستند. بر اساس شکل2طول موجهای بالاتر از 0/8 میکرومتر در لایه پرواسکایت جذب نخواهد شد. بنابراین میتوان گفت که این منحنی جذب مربوط به مادهای با شکاف انرژی 1/55 eV - 1.24/0.8=1.55 - است. این منحنی جذب مربوط به به ازای x=0 است. با افزایش ضریبمولی x از صفر تا یک میتوان شکاف انرژی پروسکایت را از eV 1/55 تا 2/3 eV افزایش داد.
ساختار سلول خورشیدی پرواسکایت با اتصالات شاتکی در بالا و پایین آن در شکل3 نشان داده شده است. از آنجا که ماده پرواسکایت در کتابخانه نرم افزار سیلواکو تعریف نشده است، ما از ماده ارگانیک برای تعریف پرواسکایت استفاده کردهایم . این ساختار شامل یک لایه پرواسکایت با ضخامت 24 نانومتر و عرض 80 نانومتر که قسمتی از آن به عرض 60 نانومتر و ضخامت 4 نانومتر هوا است. الکترود کاتد با تابع کار 4/7 eV در بالای ساختار و الکترود آند با تابع کار 4 eV در پایین ساختار، در شکل با رنگ صورتی نمایان هستند. از آنجا که الکترونخواهی پرواسکایت 3/9 eV تعریف شده است، اختلاف تابع کار الکترودها و پرواسکایت منجر به ایجاد دو پیوند شاتکی در بالا و پایین لایه پرواسکایت خواهد شد که ناحیه تخلیه ایجاد خواهد شد.
نانومتری کاتد قرار دارد که گاف انرژی آن صفر است.پس از آن با تابع کار لایه پرواسکایت باشند تا پیوند شاتکی مناسبی داشته یک لایه نازک پرواسکایت به ضخامت 24 نانومتر با گاف انرژی باشیم. بنابراین تابع کار بهینه برای الکترود بالا، 3/5 eV انتخاب1/55eV قرار دارد که در شکل مشخص است. پس از لایه میشود پرواسکایت، الکترود آند به ضخامت 10 نانومتر قرار دارد که گاف انرژی آن نیز صفر است. در مرز پرواسکایت و الکترودها، نوارهای هدایت و ظرفیت دچار شکستگی شده که نشانگر شاتکی بودن اتصال الکترودها و لایه پرواسکایت است.در مرز لایه پرواسکایت و الکترود کاتد بیشترین شدت میدان را در پرواسکایت داریم. دلیل این امر نیز اختلاف بالای تابع کار کاتد و پروسکایت است. در هوای بین الکترود کاتد و لایه پروسکایت شدت بالای میدان الکتریکی ناشی از اختلاف پتانسیل دو سر این فضای خالی است که در تحلیل نتایج ما تاثیری ندارد.
-4 تاثیر تابع کار الکترود بالا
شکل 5 و شکل 6 تاثیر تابع کار الکترود بالا بر منحنی جریان-ولتاژ و منحنی توان- ولتاژ سلول خورشیدی پرواسکایت را نشان میدهند. در این شکل ها تابع کار الکترود پایین 4/7 eV در نظر گرفته شده است. بر اساس این شکل ها با افزایش تابع کار الکترود بالا از 3/25 eV تا 3/5 eV جریان و بیشینه توان تولیدی سلول خورشیدی پرواسکایت افزایش یافته اند و برای تابع کار بیشتر از 3/5 eV جریان و بیشینه توان کاهش خواهند یافت. به همین صورت با افزایش تابع کار الکترود بالا از eV 3/25 تا 4/25 eV ولتاژ سلول خورشیدی پرواسکایت افزایش یافته و برای تابع کار 4/5 eV ولتاژ به یکباره کاهش یافته است. از آنجا که الکترونخواهی پروسکایت 3/9 eV تعریف شده است، بطور کلی مطلوب است که تابع کار الکترود بالا و پایین متفاوت
خورشیدی پرواسکایت
جدول 1 مشخصات سلول خورشیدی پرواسکایت را در حالت تابش نور خورشید به ازای مقادیر مختلف تابع کار الکترود بالا نشان میدهد. در این جدول نیز تابع کار الکترود پایین 4/7 eV در نظر گرفته شده است. همانطور که در شکل6 اشاره شد، بالاترین جریان اتصال کوتاه به ازای تابع کار الکترود بالا eV 3/25 حاصل شده است. بعلاوه، بالاترین ولتاژ مدار باز به ازای تابع کار الکترود بالا برابر با 4/25 eV حاصل شده است. بر اساس جدول1با کاهش تابع کار الکترود بالا مقدار ضریب پری - FF - افزایش می یابد. در نهایت امر بالاترین بازده تبدیل انرژی
