بهینه‌سازی عملکرد سلول‌های خورشیدی پروسکایت با استفاده از گرافن در لایه‌ انتقال‌دهنده الکترون و اعمال پوشش ضدبازتاب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی برق و الکترونیک، دانشکده برق و کامپیوتر، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

چکیده
یکی از مهمترین چالش‌ های پیش رو در سلول‌های خورشیدی پروسکایت افزایش بازدهی این سلول‌ها می‌باشد. روشهای مختلفی را می توان جهت بهبود بازدهی این سلولها به کار گرفت که یکی از این روشها تغییر مواد لایههای اطراف پروسکایت است. در این مقاله، به بررسی، شبیه‌سازی و بهینه‌‌سازی ساختار سلول‌‌های خورشیدی پروسکایت پرداخته شده است. در این شبیه‌‌سازی از سه ماده مختلف شامل TiO2، گرافن و ترکیب این دو ماده با درصد گرافن مختلف در لایه انتقال‌دهنده الکترون (ETL) استفاده شده است. نتایج نشان می‌دهد که ترکیب 5% گرافن با TiO2 بهترین عملکرد را با حداکثر چگالی جریان 22 میلی‌‌آمپر بر سانتی ‌متر مربع ارائه می‌دهد. در ادامه، تأثیر ضخامت لایه‌‌های مختلف بر بازدهی سلول خورشیدی بررسی شده است و تاثثیر تغییرات لایه‌های پروسکایت، لایه انتقال‌‌دهنده حفره، لایه انتقال‌دهنده الکترون و لایه اکسید شفاف بر میزان بازدهی مطالعه شده است. همچنین یک روش بهینه‌سازی انبوه ذرات برای دستیابی به بهترین ساختار ممکن استفاده گردیده است و در نهایت، با استفاده از یک لایه پوشش ضد بازتاب (ARC) از جنس دی‌اکسید سیلیکون (SiO2)، بازدهی ساختار به 49/16 درصد افزایش یافته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

- مراجع
[1]   S. S. Gharahyali, Zero to One Hundred of Solar Energy, Dibagaran Cultural and Artistic Institute, Tehran, 2019. (in persian)
[2]  S. Maranghi, M. L. Parisi, R. A. Sinicropi, Environmental Profile of the Manufacturing Process of Perovskite Photovoltaics: Harmonization of Life Cycle Assessment Studies, Energies, Vol. 12, No. 19, pp. 1-19, 2019.
[3] R. A. Afre, D. Pugliese, Perovskite Solar Cells: A Review of the Latest Advances in Materials, Fabrication Techniques, and Stability Enhancement Strategies, Micromachines, Vol. 15, No. 2, pp. 192, 2024.
[4]  N. M. Park, Perovskite Solar Cells: An Emerging Photovoltaic Technology, Materials Today, Vol. 18, No. 2, pp. 65–72, 2015.
[5]  C. Yang, W. Hu, J. Liu, C. Han, Q. Gao, A. Mei, Y. Zhou, F. Guo, H. Han, Achievements, Challenges, and Future Prospects for Industrialization of Perovskite Solar Cells, Light: Science & Applications, Vol. 13, No. 1, pp. 227, 2024.
[6]  L. Gu, F. Zhiyong, Perovskite/Organic-Semiconductor Heterojunctions for Ultrasensitive Photodetection, Light: Science & Applications, Vol. 6, pp. e17090, 2017.
[7] G. M. Meheretu, A. K. Worku, M. T. Yihunie, R. K. Koech, G. A. Wubetu, The Recent Advancement of Outdoor Performance of Perovskite Photovoltaic Cells Technology, Heliyon, Vol. 10, No. 17, pp. e36710. 2024.
[8] M. Dadashbeik, D. Fathi, M. Eskandari, Design and simulation of perovskite solar cells based on graphene and TiO₂/graphene nanocomposite as electron transport layer, Solar Energy, Vol. 207, pp. 917–924, 2020.
[9] N. Islam, M. Yang, K. Zhu, Z. Fan, Mesoporous scaffolds based on TiO₂ nanorods and nanoparticles for efficient hybrid perovskite solar cells, Journal of Materials Chemistry A, Vol. 48, pp. 24315-24321, 2015.
[10] B. Feleki, G. Bex, R. Andriessen, Y. Galagan, F. Di Giacomo, Rapid and low temperature processing of mesoporous TiO₂ for perovskite solar cells on flexible and rigid substrates, Materials Today Communications, Vol. 13, pp. 232–240, 2017.
[11] C. Motta, F. El-Mellouhi, S. Kais, N. Tabet, F. Alharbi, S. SanvitoMotta, Revealing the role of organic cations in hybrid halide perovskite CH₃NH₃PbI₃, Nature Communications, Vol. 6, pp. 7026, 2015.
[12] F. El-Mellouhi, E. T. Bentria, S. N. Rashkeev, S. Kais, F. H. Alharbi, Enhancing Intrinsic Stability of Hybrid Perovskite Solar Cell by Strong, yet Balanced, Electronic Coupling, Scientific Reports, Vol. 6, pp. 30305, 2016.
[13] A. Giuri, R. Mastria, A. RizzGiuri, The Path Toward Metal-Halide Perovskite Industrialization, Cell Reports Physical Science, Vol. 10, pp. 102245, 2024.
[14] C. Rossel, Perovskites: A Class of Materials with Multiple Functionalities and Applications, Europhysics News, Vol. 49, No. 3, pp. 10–13, 2018.
[15] M. Ali, Z. Bibi, M.W. Younis, M. Mubashir, M. Iqbal, M. U. Ali, M. Asif Iqbal, An Accurate Prediction of Electronic Structure, Mechanical Stability, and Optical Response of BaCuF₃ Fluoroperovskite for Solar Cell Application, Solar Energy, Vol. 267, pp. 112199, 2024.
 [16] J. Han, K. Park, S. Tan, Y. Vaynzof, J. Xue, E. W.-. Diau, M. G. Bawendi, J.-W. Lee, I. Jeon, Perovskite solar cells, Nature Reviews Methods Primers, Vol. 5, pp. 3, 2025.
[17] S. N. R. Nanduri, M. K. Siddiki, G. M. Chaudhry; Y. Z. Alharthi, Numerical Simulation and Performance Optimization of Perovskite Solar Cell, in 2017 IEEE 44th Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), Washington, DC, USA, pp. 1018-1021, 2017.
[18] Z. Ku, Y. Rong, M. Xu, T. Liu, H. Han, Full printable processed mesoscopic CH₃NH₃PbI₃/TiO₂ heterojunction solar cells with carbon counter electrode, Scientific Reports, Vol. 3, pp. 3132, 2013.
[19] F. Biccari, F. Gabelloni, E. Burzi, M. Gurioli, S. Pescetelli, A. Agresti, A. E. D. R. Castillo, A. Ansaldo, E. Kymakis, F. Bonaccorso, A. D. Carlo, A. Vinattieri, Graphene-Based Electron Transport Layers in Perovskite Solar Cells: A Step-Up for an Efficient Carrier Collection, Advanced Energy Materials, Vol. 7, No. 21, pp. 1701349, 2017.
[20] H. Zhou, Q. Chen, G. Li, S. Luo, T.-B. Song, , H.-S. Duan, Z. Hong, J. You, Y. Liu, Y. Yang, Interface Engineering of Highly Efficient Perovskite Solar Cells, Science, Vol. 345, No. 6196, pp. 542–546, 2014.
[21] E. Barruna, A Saniah, R. Bhaskara, S. F. Rahman; A. Zulfia, N. R. Poespawati "Carbon Nanotubes, Graphite, and Reduced Graphene Oxide in CuSCN Incorporated Carbon Electrodes in Perovskite Solar Cells, in Proceedings of the 11th Electrical Power, Electronics, Communications, Control, and Informatics Seminar (EECCIS 2022), IEEE, Malang, Indonesia, pp. 119–122, 2022.
[22] S. Santosh, S. Patel, M. M. Malik, P. K. Patel, Recent Advancements in Applications of Graphene to Attain Next-Level Solar Cells, C, Vol. 9, No. 3, pp. 70, 2023.
[23] C. Zhang, Applications of Graphene in Perovskite Solar Cells, Highlights in Science, Engineering and Technology, Vol. 111, pp. 241–245, 2024.
[24] Stauffer, Nancy W. Transparent, Flexible Solar Cells, MIT News, 28 July 2017.
 [25] E. Karimi, S. M. Bagher Ghoreishy, Designing and optimization of perovskite solar cells using different electron-transporting materials, Journal of Research on Many body Systems, Vol. 9, No. 17, pp. 123-133 , 2010. (in persian)
[26] J. Han, K. Park, S. Tan, Y. Vaynzof, J. Xue, E. Wei-Guang Diau, M. G. Bawendi, J.-W. Lee, I. Jeon, Perovskite solar cells, Nature Reviews Methods Primers, Vol. 5, No.3, pp. 1-27, 2025.
[27] M. Afroz, R. K. Ratnesh, S. Srivastava, J. Singh, Perovskite solar cells: Progress, challenges, and future avenues to
clean energy, Solar Energy, Vol. 287, pp. 113205, 2025.
[28] M. Gantumur, Md. Shahiduzzaman, M. I. Hossain, Md. Akhtaruzzaman, M. Nakano, M. Karakawa, J. Michel Nunzi,
T. Taima, Revolutionizing light capture: a comprehensive review of back-contact perovskite solar cell architectures, Materials Today, Vol. 90, pp. 441-465, 2025.
[29] S. Sucharitakul, V. Yarangsi, S. Thanasanvorakun, T. Sintiam,
S. Yarin, K. Hongsith, S. Phadungdhitidhada, S. Choopun, Enhanced perovskite solar cells with TiO2-Graphene nanocomposite quantum dots in electron transport layer, Electrochimica Acta, Vol. 521, pp. 145901, 2025.
[30] T. Sewela, R. O. Ocaya, T. D. Malevu, Recent insights into the transformative role of Graphene‐ based/TiO2 electron transport layers for perovskite solar cells, Energy Science & Engineerin, Vol. 13, pp. 4-26, 2024.
 [31] A. Daraiee, Simulation and Optimization of the Performance of a Graphene/Perovskite-Based Solar Cell, Master’s Thesis, Central Library of Shahrood University of Technology, Department of Electrical Engineering, 2019. (in persian)
 [32] M. Norouzi, H. Fatemi Imam Gheis, Z. Monfared, A. Rahimpour, The effect of the application of graphene in the blocking layer structure to increase efficiency of perovskite solar cell, The 33rd National Conference on Physics of Iran, 2017. (in persian)
[33] J. T. W. Wang,  J. M. Ball, E. M. Barea, A. Abate, J. A. A. Webber, J.  Huang,  M. Saliba, I. M. Sero, J. Bisquert, H. J. Snaith, R. J. Nicholas, Low-Temperature Processed Electron Collection Layers of Graphene/TiO2 Nanocomposites in Thin Film Perovskite Solar Cells, Nano Letters, Vol. 14, No. 2, pp. 724−730, 2014.
[34] S. L. Mortazavifar,M. R. Salehi, M. Shahraki, E. Abiri, Optimization of light absorption in ultrathin elliptical silicon nanowire arrays for solar cell applications, Journal of Modern Optics, Vol. 69, No. 7, pp. 368-380, 2022.
[35] P. Löper, M. Stuckelberger, B. Niesen, J. Werner, M. Filipič, S. J. Moon, J. H. Yum, M. Topič, S. D. Wolf, C. Ballif, Complex Refractive Index Spectra of CH3NH3PbI3 Perovskite Thin Films Determined by Spectroscopic Ellipsometry and Spectrophotometry, The Journal of Physical Chemistry Letters, Vol. 6, No. 1, pp. 66-71, 2014.
[36] I. M. D. L. Santos, H. J. C. Marrero, M. A. R. Sánchez, L. H. Difur, F. J. S. Rodríguez, M. Courel, H. Hu, Optimization of CH3NH3PbI3 perovskite solar cells: A theoretical and experimental study, Solar Energy, Vol. 199, pp. 198-205, 2020.
 [37] M. R. Bonyadi, Z. Michalewicz, Particle Swarm Optimization for Single Objective Continuous Space Problems: A Review, Evolutionary Computation, Vol. 25, No. 1, pp. 1-54, 2017.
دوره 13، شماره 1 - شماره پیاپی 25
اردیبهشت 1405
صفحه 113-121

  • تاریخ دریافت 08 مرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 08 آبان 1404
  • تاریخ پذیرش 10 آذر 1404