شبیه‌سازی الکتریکی سلول‌های خورشیدی پروسکایتی

Abstract

در این مقاله یک مدل تحلیلی فیزیکی که خصوصیات اساسی سلولهای خورشیدی پروسکایتی را در بردارد، ارائه شده است. با استفاده از این مدل میتوان پارامترهای فیزیکی و چگونگی افزایش بازدهی سلول پروسکایتی را بدست آورد. یک سلول نوعی شامل یک لایه جاذب ذاتی پروسکایت(300-500nm)، یک لایهی انتقالدهنده الکترون (نوع n)، یک لایهی انتقالدهنده حفره (نوع p) و الکترودهای آند و کاتد است. در این مدل لایه جاذب ذاتی را پروسکایت 〖CH〗_3 〖NH〗_3 PbI_3، لایهی انتقالدهنده حفرهSpiro-OMETAD و لایهی انتقال دهندهالکترون را TiO_2در نظر گرفتیم. مدل تحلیلی را میتوان با حل کردن معادلات پیوستگی الکترون و حفره در لایهی جاذب بدست آورد: D (∂^2 n(x))/(∂x^2 )+μE(x) ∂n(x)/∂x+G(x)-R(x)=0 D (∂^2 p(x))/(∂x^2 )-μE(x) ∂p(x)/∂x+G(x)-R(x)=0 که p,n به ترتیب چگالی الکترونها و حفرهها، μ,D ضریب پخش و تحرک‌پذیری و G(x) نرخ تولید الکترون و حفره هستند. E(x) میدان الکتریکی وابسته به مکان در لایهی جاذب است که میتوان با حل معادله پواسون بدست آورد. به دلیل طول پخش طولانی در پروسکایت میتوان از نرخ بازترکیب حجمی در لایهی جاذب صرف نظر کرد R(x)=0. با چشمپوشی از بازتاب نور توسط سطوح سلول میتوان نرخ تولید الکترون و حفره در لایهی جاذب را بصورت G(x)=G_eff e^((-x)⁄λ_ave ) تقریب زد. G_eff و λ_ave ثابتهای مشخصهی ماده هستند. با در نظر گرفتن شرایط مرزی و جریانهای بازترکیب سطحی حاملهای اقلیت در مرز بین لایهی جاذب و لایههای انتقالدهندهی الکترون و حفره، میتوان معادلات پیوستگی را برای الکترونها و حفرهها حل کرد. سرانجام با حل کردن معادلات پیوستگی الکترونها و حفرهها میتوان مشخصات جریان و ولتاژ را برای سلول خورشیدی پروسکایتی بدست آورد: J_dark=(α_f×J_f0+α_b×J_b0 )(e^(qv⁄kT)-1) J_photo=qG_max (A-Be^(-m) ) J_light=J_dark+J_photo که m=t_0/λ_ave و β_(f(b))=D/(t_0×s_(f(b)) ) است. پارامترهای مدل، α_(f(b))، β_(f(b))، A(B) و m توابعی از پارامترهای فیزیکی سلول هستند. t_0 ضخامت لایه جاذب، J_(f0(b0)) جریانهای بازترکیب در لایههای انتقالدهندهی جلویی و عقبی. D ضریب پخش، s_(f(b)) سرعت بازترکیب سطحی در سطح جلویی و عقبی هستند و G_max جذب بیشینه است.