Computational study of highly efficient SnO2 ETL-based inorganic perovskite solar cell

• Autorzy: Rahim Farah Liyana , Arith Faiz , Izzati Nurin , Jalaludin Nabilah Ahmad , Salehuddin Fauziyah , Shah Ahmad Shahiman Mohd , Mustafa Ahmad Nizamuddin

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2024.11.18

Warianty tytułu

PL

Badanie obliczeniowe wysoce wydajnej nieorganicznej ogniwa słonecznego z perowskitu na bazie SnO2 ETL

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The growing demand for high Power Conversion Efficiency (PCE) in Perovskite Solar Cells (PSCs) has increased the need for the introduction of new material combinations. The conventional TiO2 Electron Transport Layer (ETL) has reached its maturity limit, and no further progress can be made. Therefore, the replacement with the SnO2 layer is seen as very reasonable. Furthermore, the crystallization of TiO2 requires a high-temperature annealing process, thus obliterating its use in flexible applications, and increasing fabrication costs. This study numerically elaborated on the potential of SnO2 as an ETL in PSCs using the Solar Cell Capacitance Simulator (SCAPS-1D). The combination of SnO2 ETL with solid-state CUSCN HTL is also deliberated to provide an alternative to the use of all inorganic PSCs, where the cell consists of ITO/ SnO2 /CH3NH3PbI3/CuSCN/Au. Numerous key parameters of SnO2 have influenced cell performance, including operating temperature, layer thickness, dopant density and defect density state. The highest PCE has been recorded reaching up to 24.14% with FF of 85.99%, VOC of 1.15V, and JSC of 24.42 mA/ cm2 from the optimized cell structure. However, it can be seen that the impact of high defect density has had a profound effect on PCE performance, thus illuminating the comprehensive concern required in containment. This may provide a guideline prior to the future fabrication of PSCs utilizing the SnO2 as ETL.

PL

Rosnące zapotrzebowanie na wysoką wydajność konwersji energii (PCE) w perowskitowych ogniwach słonecznych (PSC) zwiększyło potrzebę wprowadzenia nowych kombinacji materiałów. Konwencjonalna warstwa transportu elektronów TiO2 (ETL) osiągnęła swój limit dojrzałości i nie można poczynić dalszych postępów. Dlatego też zastąpienie warstwą SnO2 wydaje się bardzo rozsądne. Co więcej, krystalizacja TiO2 wymaga procesu wyżarzania w wysokiej temperaturze, co eliminuje jego zastosowanie w elastycznych zastosowaniach i zwiększa koszty produkcji. W tym badaniu opracowano numerycznie potencjał SnO2 jako ETL w PSC przy użyciu symulatora pojemności ogniw słonecznych (SCAPS-1D). Rozważa się również połączenie SnO2 ETL z półprzewodnikowym CUSCN HTL, aby zapewnić alternatywę dla stosowania wszystkich nieorganicznych PSC, gdzie ogniwo składa się z ITO/SnO2/CH3NH3PbI3/CuSCN/Au. Na wydajność ogniwa wpływa wiele kluczowych parametrów SnO2, w tym temperatura robocza, grubość warstwy, gęstość domieszki i stan gęstości defektów. Odnotowano najwyższy współczynnik PCE sięgający 24,14% przy FF wynoszącym 85,99%, VOC wynoszącym 1,15 V i JSC wynoszącym 24,42 mA/cm2 ze zoptymalizowanej struktury komórkowej. Można jednak zauważyć, że wpływ dużej gęstości defektów miał głęboki wpływ na wydajność PCE, rzucając w ten sposób światło na wszechstronną troskę wymaganą w zakresie powstrzymywania. Może to stanowić wytyczne przed przyszłym wytwarzaniem PSC wykorzystujących SnO2 jako ETL.

Słowa kluczowe

EN

SnO2; perovskite solar cell; SCAPS-1D; ETL

PL

SnO2; perowskitowe ogniwo słoneczne; SCAPS-1D; ETL

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 100, nr 11
• Strony: 99--103
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Rahim Farah Liyana

• Universiti Teknikal Malaysia Melaka

autor

Arith Faiz

• Universiti Teknikal Malaysia Melaka

autor

Izzati Nurin

• Universiti Teknikal Malaysia Melaka

autor

Jalaludin Nabilah Ahmad

• Universiti Teknikal Malaysia Melaka

autor

Salehuddin Fauziyah

• Universiti Teknikal Malaysia Melaka

autor

Shah Ahmad Shahiman Mohd

• Universiti Malaysia Pahang Al-Sultan Abdullah

autor

Mustafa Ahmad Nizamuddin

• Universiti Teknikal Malaysia Melaka

Bibliografia

• [1] T. Wu, Z. Qin, Y. Wang, Y. Wu, W. Chen, S. Zhang, M. Cai, S. Dai, J. Zhang, J. Liu, Z. Zhou, X. Liu, H. Segawa, H. Tan, Q. Tang, J. Fang, Y. Li, L. Ding, Z. Ning, Y. Qi, Y. Zhang, and L. Han, “The Main Progress of Perovskite Solar Cells in 2020– 2021,” Nano-Micro Lett., vol. 13, no. 1, 2021, doi: 10.1007/s40820-021-00672-w.
• [2] B. Osman, T. Abdolkader, and I. Ahmed, “A Review of Perovskite Solar Cells,” Int. J. Mater. Technol. Innov., vol. 0, no. 0, pp. 0–0, 2021, doi: 10.21608/ijmti.2021.78369.1032
• [3] N. S. N. M. Alias, F. Arith, A. N. M. Mustafa, M. M. Ismail, S. A. M. Chachuli, and A. S. M. Shah, “Compatibility of Al-doped ZnO electron transport layer with various HTLs and absorbers in perovskite solar cells,” Appl. Opt., vol. 61, no. 15, p. 4535, 2022.
• [4] N. S. Noorasid, F. Arith, A. N. Mustafa, P. Chelvanathan, M. I. Hossain, M. A. Azam and N. Amin, “Improved performance of lead-free Perovskite solar cell incorporated with TiO 2 ETL and CuI HTL using SCAPs,” Appl. Phys. A Mater. Sci. Process., vol. 129, no. 2, pp. 1–16, 2023
• [5] Y. Ammaih and B. Hartiti, “Optimization of Parameters for Deposition of SnO2 F ilms by Sol-Gel using Taguchi Method,” no. Ii, pp. 2–5, 2015
• [6] H. A. Aribisala, “Improving the Efficiency of Solar Photovoltaic Power System,” 2013.
• [7] R. Kent, “Renewables,” Plast. Eng., vol. 74, no. 9, pp. 56–57, 2018, doi: 10.1002/peng.20026
• [8] M. A. Green, “Third generation photovoltaics: Solar cells for 2020 and beyond,” Phys. E Low-Dimensional Syst. Nanostructures, vol. 14, no. 1–2, pp. 65–70, 2002, doi: 10.1016/S1386-9477(02)00361-2.
• [9] P. Zhang, J. Wu, T. Zhang, Y. Wang, D. Liu, H. Chen, L. Ji, C. Liu, W. Ahmad, Z. D. Chen, and S. Li, “Perovskite Solar Cells with ZnO Electron-Transporting Materials,” Adv. Mater., vol. 30, no. 3, pp. 1–20, 2018, doi: 10.1002/adma.201703737.
• [10] O. V. Aliyaselvam, F. Arith, A. N. Mustafa, P. Chelvanathan, M. A. Azam and N. Amin. Incorporation of green solvent for low thermal budget flower-like Copper(I) Iodide (γ-CuI) for highefficiency solar cell. J Mater Sci: Mater Electron 34, 1274, 2023.
• [11] Q. Jiang, X. Zhang, and J. You, “SnO2: A Wonderful Electron Transport Layer for Perovskite Solar Cells,” Small, vol. 14, no. 31, pp. 1–14, 2018, doi: 10.1002/smll.201801154.
• [12] M. Łuszczek, “Simulation investigation of perovskitebased solar cells,” Electrotech. Rev., vol. 1, no. 5, pp. 101–104, 2021, doi: 10.15199/48.2021.05.17.
• [13] P. Zhao, Z. Lin, J. Wang, M. Yue, J. Su, J. Zhang, J. Chang, and Y. Hao, “Numerical Simulation of Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells Based on SnO2 Electron Transport Layer,” ACS Appl. Energy Mater., vol. 2, no. 6, pp. 4504–4512, 2019, doi: 10.1021/acsaem.9b00755.
• [14] Y. Raoui, H. Ez-Zahraouy, N. Tahiri, O. El Bounagui, S. Ahmad, and S. Kazim, “Performance analysis of MAPbI3 based perovskite solar cells employing diverse charge selective contacts: Simulation study,” Sol. Energy, vol. 193, no. October, pp. 948–955, 2019, doi: 10.1016/j.solener.2019.10.009.
• [15] E. Karimi and S. M. B. Ghorashi, “The Effect of SnO2 and ZnO on the Performance of Perovskite Solar Cells,” J. Electron. Mater., vol. 49, no. 1, pp. 364–376, 2020, doi: 10.1007/s11664- 019-07804-4.
• [16] O. V. Aliyaselvam, S. A. Mat Junos, F. Arith, N. Izlan, M M. Said, A. N. Mustafa, “Optimization of Copper (I) Thiocyanate as Hole Transport Material for Solar Cell by Scaps-1D Numerical Analysis,” Przeglad Elektrotechniczny, vol. 6, pp. 131-135, 2022.
• [17] F. Jahantigh and M. J. Safikhani, “The effect of HTM on the performance of solid-state dye-sanitized solar cells (SDSSCs): a SCAPS-1D simulation study,” Appl. Phys. A Mater. Sci. Process., vol. 125, no. 4, pp. 1–7, 2019, doi: 10.1007/s00339- 019-2582-0.
• [18] C. Mebarkia, D. Dib, H. Zerfaoui, and R. Belghit, “Energy efficiency of a photovoltaic cell based thin films CZTS by SCAPS,” J. Fundam. Appl. Sci., vol. 8, no. 2, p. 363, 2016, doi: 10.4314/jfas.v8i2.13
• [19] D. Dey, D. De, A. Ahmadian, F. Ghaemi, and N. Senu, “Electrically Doped Nanoscale Devices Using First - Principle Approach: A Comprehensive Survey,” Nanoscale Res. Lett., 2021, doi: 10.1186/s11671-020-03467-x
• [20] L. Xiong, Y. Guo, J. Wen, H. Liu, G. Yang, P. Qin, and G. Fang, “Review on the Application of SnO2 in Perovskite Solar Cells,” Adv. Funct. Mater., vol. 28, no. 35, 2018, doi: 10.1002/adfm.201802757.
• [21] K. Ojotu, “Simulation of an Optimized Poly 3-Hexylthiophene (P3HT) based solid state Dye Sensitized Solar Cell (ss-DSSC) using SCAPS,” vol. 5, no. April, pp. 1–10, 2020.
• [22] M. A. Mustaffa, F. Arith, N. S. Noorasid, M. S. I. M. Zin, K. S. Leong, F. A. Ali, A. N. M. Mustafa, and M. M. Ismail."Towards a Highly Efficient ZnO Based Nanogenerator" Micromachines 13, no. 12: 2200, 2022
• [23] N. S. N. M. Alias, F. Arith, A. Mustafa, M. M. Ismail, N. F. Azmi, and M. Saifizi, “Impact of Al on ZnO electron transport layer in perovskite solar cells,” J. Eng. Technol. Sci. 54, 2022.
• [24] D. Liu, Y. Wang, H. Xu, H. Zheng, T. Zhang, P. Zhang, F. Wang, J. Wu, Z. Wang, Z. Chen, and S. Li “SnO2 -Based Perovskite Solar Cells: Configuration Design and Performance Improvement,” vol. 1800292, pp. 1–22, 2019, doi: 10.1002/solr.201800292
• [25] H. Pan, X. Zhao, X. Gong, H. Li, N. Haji Ladi, X. L. Zhang, W. Huang, S. Ahmad, L. Ding, Y. Shen, M. Wang, and Y. Fu, “Advances in design engineering and merits of electron transporting layers in perovskite solar cells,” Mater. Horizons, vol. 7, no. 9, pp. 2276–2291, 2020, doi: 10.1039/d0mh00586j
• [26] N. S. Noorasid, F. Arith, A. Y. Firhat, A. N. Mustafa, and A. S. M. Shah, “SCAPS Numerical Analysis of Solid-State Dye- Sensitized Solar Cell Utilizing Copper (I) Iodide as Hole Transport Layer”, Engineering Journal, vol. 26, no. 2, pp. 1-10, Feb. 2022.
• [27] K. B. Nine, M. F. Hossain, and S. A. Mahmood, “Analysis of Stable, Environment Friendly and Highly Efficient Perovskite Solar Cell,” IEEE Reg. 10 Annu. Int. Conf. Proceedings/TENCON, vol. 2019-Octob, pp. 1825–1828, 2019, doi:
• [28] N. S. N. M. Alias, F. Arith, A. N. M. Mustafa, M. A. Azam, S. H. M.Suhaimy, and O. A. Al-ani, “Effect of Low Temperature Annealing on Anatase TiO2 Layer as Photoanode for Dye- Sensitized Solar Cell,” Przeglad Elektrotechniczny vol. 97, no. 10, 2021.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2025).