Optimization of the perovskite solar cell structure

Abstract

Експериментально виготовлено перовскітну сонячну комірку (PSC) зі структурою Au/Spiro-MeOTAD/CH3NH3PbI3/PEDOT:PSS/ITO. Емпірично отримано основні фотоелектричні характеристики структури, а саме вольт-амперні характеристики (ВАХ), виміряні у діапазоні напруги від -1В до 1В. Під час вимірювань були розраховані відповідні значення густини струму короткого замикання (Jsc) 1,23 мА/см² та напруги холостого ходу (Uoc) 0,19 В відповідно. Аналітично сформована модель, що відповідає виготовленому зразку. Для моделювання параметрів гетероструктури перовскітового сонячного елемента використовувалося середовище Comsol Multiphysics, побудоване на методі скінченних елементів. Теоретично обчислено значення густини струму короткого замикання 3,29 мА/см² та напруги холостого ходу 0,2 В. Використовуючи системне забезпечення Comsol визначено максимальну потужність структури для експериментального зразка та теоретичної моделі цієї ж структури 0,11 Вт та 0,43 Вт відповідно. Співставлено результати експерименту та аналітичної моделі. Результати моделювання пройшли експериментальну верифікацію. Оптимізована аналітична модель структури була побудована шляхом додавання електронно транспортного шару (ETL). Для покращення ефективності комірки використано органічний матеріал BCP (Bathocuproine), у якості додаткового шару ETL. Теоретично обчислено ВАХ, що уможливило подальші розрахунки значення щільності струму короткого замикання 10,17 мА/см², напруги холостого ходу 1,2 В та максимального значення потужності структури Au/BCP/Spiro-MeOTAD/CH3NH3PbI3/PEDOT:PSS/ITO, що становить 3,21 В. Проведено порівняння вольт-амперних характеристик комірок перовскіту в темновому та світлому режимах для первинної та оптимізованої структур. Заразом зроблено порівняння основних параметрів, отриманих під час моделювання експериментального зразка та подальшої оптимізованої моделі. Зокрема, було оцінено один із ключових параметрів гетероструктур сонячних елементів, коефіцієнта заповнення, який збільшився з 16,52% до 25,00% відповідно. Світлочутливі параметри перовскітноїкомірки були помітно покращені.

An experimental perovskite solar cell (PSC) with the structure Au/Spiro-MeOTAD/CH3NH3PbI3/PEDOT:PSS/ITO was fabricated. The measurements of main photovoltaic characteristics were provided. The current-voltage dependences (I-V curves) were measured conducted in the voltage range from -1V to 1V. During the measurements, the corresponding values were calculated of the short-circuit current density(Jsc) and open-circuit voltage(Uoc) were obtained as 1.23 mA/cm² and 0.19 V, respectively. Subsequently, an analytical model corresponding to this structure was formulated. For modeling the parameters of the perovskite solar cell, the Comsol Multiphysics environment was used, this environment is based on the finite element method. The relevant computations were provided to obtain the corresponding values of the short-circuit current density and open-circuit voltage as 3.29 mA/cm² and 0.2 V, respectively, with the maximum theoretically calculated power of this structure being 0.11 W. The experimental outcomes were juxtaposed with the predictions of the analytical computations, and the modeling results were empirically validated. An analytically accomplished model of the same structure was built by adding an electron transport layer (ETL). An organic material BCP (Bathocuproine) was used as an supplementary ETL layer. During the optimization of the PSC, the main datums were mathematically counted. Such values as the short-circuit current density of 10.17 mA/cm², open-circuit voltage of 1.2 V, and the maximum power value of Au/BCP/Spiro-MeOTAD/CH3NH3PbI3/PEDOT:PSS/ITO structure, which is 3.21 W were rated. A comparison of the volt-ampere characteristics of perovskite cells in dark and light modes was conducted for primary and optimized structures. The main parameters, obtained during the modeling of the experimental sample and subsequent model optimization, were compared. Specifically one of the key parameters of solar cell heterostructures the fill factor was evaluated and found to have increased from 16.52% to 25.00%, respectively. The light-sensitive behavior of the perovskite cell were visibly enhanced.