مدل‌سازی چگالی حاملهای بار در سلول خورشیدی نانوساختاری حالت جامد حساس شده با رنگدانه
محورهای موضوعی : مدل سازیتهمینه جلالی 1 , مرتضی صادقی 2 , شهریار عصفوری 3
1 - گروه فیزیک دانشگاه خلیج فارس، بوشهر
2 - گروه فیزیک دانشگاه خلیج فارس، بوشهر
3 - گروه مهندسی شیمی، دانشکده نفت، گاز و پتروشیمی، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر، ایران
کلید واژه: چگالی حامل بار, نانوساختار, سلول خورشیدی حساس شده با رنگدانه, سلول خورشیدی حالت جامد حساس شده با رنگدانه,
چکیده مقاله :
سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگدانه نسل جدیدتری از سلولهای خورشیدی هستند که اگرچه بازده پایین‌تری نسبت به سلولهای سیلیکونی دارند، اما پتانسیل بالایی برای بازده بیشتر دارند و چون از نظر اقتصادی صرفه بهتری دارند، اگر بازده و پایداری آنها افزایش یابد میتوانند جایگزین سلولهای خورشیدی سیلیکونی در بازار شوند. طراحی و توسعه روزافزون سلولهای خورشیدی تنها محدود به کارهای تجربی و آزمایشگاهی نبوده، بلکه مدلسازی‌های عددی نیز در این امر دخیل بوده است. هدف از انجام این تحقیق طراحی و مدل‌سازی عددی سلول¬های خورشیدی حالت جامد حساس شده با رنگدانه بر پایه لایه نانوساختار نیمرسانا با گاف نواری عریض (دی-اکسیدتیتانیوم) و همچنین اکسید روی به عنوان انتقال دهنده الکترون و رنگدانه N719 به عنوان لایه جاذب و همچنین PEDOT:PSS و P3HT به عنوان ماده انتقال دهنده حفره است. در این پژوهش از نرم افزار کامسول برای طراحی سلول خورشیدی استفاده و مشخصه‌های جریان-ولتاژ و همچنین جذب اپتیکی سلول محاسبه شده است که با داده‌های تجربی مطابقت خوبی دارد.
Dye-sensitized solar cells (DSSCs) are a newer generation of solar cells that, although they have lower efficiency compared to silicon-based solar cells, have a high potential for improved efficiency. Due to their better cost-effectiveness, they can replace silicon-based solar cells in the market if their efficiency and stability increase. The design and development of DSSCs have involved not only experimental and laboratory work but also numerical modeling. The aim of this work is to design and numerically model dye-sensitized solar cells based on a nanostructured semiconductor layer with a wide bandgap (titanium dioxide) and zinc oxide as the electron transporter, N719 dye as the absorber layer, and PEDOT:PSS and P3HT as hole transport materials. In this research, the advanced software CAMSOL with extensive capabilities is used for the design of dye-sensitized solar cells, and the current-voltage characteristics and optical absorption of the cell are calculated, which are in agreement with experimental data.
[1] Conti, John, Paul Holtberg, Jim Diefenderfer, Angelina LaRose, James T. Turnure, and Lynn Westfall. International energy outlook 2016 with projections to 2040. No. DOE/EIA-0484 (2016). USDOE Energy Information Administration (EIA), Washington, DC (United States). Office of Energy Analysis, 2016.
[2] Li, Bin, Liduo Wang, Bonan Kang, Peng Wang, and Yong Qiu. "Review of recent progress in solid-state dye-sensitized solar cells." Solar energy materials and solar cells 90, no. 5 (2006): 549-573.
[3] Kamat, Prashant V. "Meeting the clean energy demand: nanostructure architectures for solar energy conversion." The Journal of Physical Chemistry C 111, no. 7 (2007): 2834-2860.
[4] Correa-Baena, Juan-Pablo, Antonio Abate, Michael Saliba, Wolfgang Tress, T. Jesper Jacobsson, Michael Grätzel, and Anders Hagfeldt. "The rapid evolution of highly efficient perovskite solar cells." Energy & Environmental Science 10, no. 3 (2017): 710-727.
[5] Li, Chen, Miaoyin Liu, Neil G. Pschirer, Martin Baumgarten, and Klaus Mullen. "Polyphenylene-based materials for organic photovoltaics." Chemical reviews 110, no. 11 (2010): 6817-6855.
[6] Golshan, Malihe, Shahriar Osfouri, Reza Azin, and Tahmineh Jalali. "Fabrication of optimized eco-friendly dye-sensitized solar cells by extracting pigments from low-cost native wild plants." Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 388 (2020): 112191.
[7] Saga, Tatsuo. "Advances in crystalline silicon solar cell technology for industrial mass production." npg asia materials 2, no. 3 (2010): 96-102.
[8] Wongcharee, K., V. Meeyoo, and S. Chavadej, Dye-sensitized solar cell using natural dyes extracted from rosella and blue pea flowers. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2007. 91(7): p. 566-571.
[9] Gregg, Brian A. "The photoconversion mechanism of excitonic solar cells." MRS bulletin 30, no. 1 (2005): 20-22.
[10] Procel, Paul, Haiyuan Xu, Aurora Saez, Carlos Ruiz‐Tobon, Luana Mazzarella, Yifeng Zhao, Can Han, Guangtao Yang, Miro Zeman, and Olindo Isabella. "The role of heterointerfaces and subgap energy states on transport mechanisms in silicon heterojunction solar cells." Progress in Photovoltaics: research and applications 28, no. 9 (2020): 935-945.
[11] Rosencwaig, Allan, and Allen Gersho. "Theory of the photoacoustic effect with solids." Journal of Applied Physics 47, no. 1 (1976): 64-69.
[12] Becquerel, M. E. "Mémoire sur les effets électriques produits sous l'influence des rayons solaires." Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences 9 (1839): 561-567.
[14] Chapin, Daryl M., Calvin S. Fuller, and Gerald L. Pearson. "A new silicon p‐n junction photocell for converting solar radiation into electrical power." Journal of applied physics 25, no. 5 (1954): 676-677.
[15] Fritts, Charles E. "On a new form of selenium cell, and some electrical discoveries made by its use." American Journal of Science 3, no. 156 (1883): 465-472.
[16] Kallmann, H., and M. Pope. "Photovoltaic effect in organic crystals." The Journal of Chemical Physics 30, no. 2 (1959): 585-586.
[17] EPIA-European Photovoltaic Industry Association. "Global market outlook for photovoltaics 2013-2017." EPIA report. Disponível em: http://www. epia. org/home (2013).
[18] Jahantigh, Farhad, and Mohammad Javad Safikhani. "The effect of HTM on the performance of solid-state dye-sanitized solar cells (SDSSCs): a SCAPS-1D simulation study." Applied Physics A 125, no. 4 (2019): 1-7.
[19] Kojima, Akihiro, Kenjiro Teshima, Yasuo Shirai, and Tsutomu Miyasaka. "Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells." Journal of the american chemical society 131, no. 17 (2009): 6050-6051.
[20] Jalali, Tahmineh, et al. "Performance evaluation of natural native dyes as photosensitizer in dye-sensitized solar cells." Optical Materials 110 (2020): 110441.
[21] Aberle, Armin G. "Thin-film solar cells." Thin solid films 517, no. 17 (2009): 4706-4710.
[22] Tributsch, Helmut. "Dye sensitization solar cells: a critical assessment of the learning curve." Coordination Chemistry Reviews 248, no. 13-14 (2004): 1511-1530.
[23] Bagher, Askari Mohammad, Mirzaei Mahmoud Abadi Vahid, and Mirhabibi Mohsen. "Types of solar cells and application." American Journal of optics and Photonics 3, no. 5 (2015): 94-113.
[24] Kamat, Prashant V. "Boosting the efficiency of quantum dot sensitized solar cells through modulation of interfacial charge transfer." Accounts of chemical research 45, no. 11 (2012): 1906-1915.
[25] Angmo, Dechan, and Frederik C. Krebs. "Flexible ITO‐free polymer solar cells." Journal of Applied Polymer Science 129, no. 1 (2013): 1-14.
[26] Prochowicz, Daniel, Mohammad Mahdi Tavakoli, Małgorzata Wolska-Pietkiewicz, Maria Jędrzejewska, Suverna Trivedi, Manoj Kumar, Shaik M. Zakeeruddin, Janusz Lewiński, Michael Graetzel, and Pankaj Yadav. "Suppressing recombination in perovskite solar cells via surface engineering of TiO2 ETL." Solar Energy 197 (2020): 50-57.
[27] Mahmoudi, Tahmineh, Yousheng Wang, and Yoon‐Bong Hahn. "SrTiO3/Al2O3‐graphene electron transport layer for highly stable and efficient composites‐based perovskite solar cells with 20.6% efficiency." Advanced Energy Materials 10, no. 2 (2020): 1903369.
[28] Yu, Bin‐Bin, Min Liao, Yudong Zhu, Xusheng Zhang, Zheng Du, Zhixin Jin, Di Liu et al. "Oriented Crystallization of Mixed‐Cation Tin Halides for Highly Efficient and Stable Lead‐Free Perovskite Solar Cells." Advanced Functional Materials 30, no. 24 (2020): 2002230.
[29] Marchioro, Arianna, Joël Teuscher, Dennis Friedrich, Marinus Kunst, Roel Van De Krol, Thomas Moehl, Michael Grätzel, and Jacques-E. Moser. "Unravelling the mechanism of photoinduced charge transfer processes in lead iodide perovskite solar cells." Nature photonics 8, no. 3 (2014): 250-255.
[30] P. Singh, A. Raman, and N. Kumar, “Spectroscopic and simulation analysis of facile PEDOT:PSS layer deposition-silicon for perovskite solar cell,” Silicon, vol. 12, pp. 1769–1777, 2020.
[31] Rombach, Florine M., Saif A. Haque, and Thomas J. Macdonald. "Lessons learned from spiro-OMeTAD and PTAA in perovskite solar cells." Energy & Environmental Science (2021).
[32] Green, Martin A., Anita Ho-Baillie, and Henry J. Snaith. "The emergence of perovskite solar cells." Nature photonics 8, no. 7 (2014): 506-514.
[33] Grätzel, M., Recent advances in sensitized mesoscopic solar cells. Accounts of chemical research, 2009. 42(11): p. 1788-1798.
[34] Hagfeldt, A., et al., Dye-sensitized solar cells. Chemical reviews, 2010. 110(11): p. 6595-6663.
[35] Grätzel, M., Photoelectrochemical cells. Nature, 2001. 414(6861): p. 338-344.
[36] Jalali, T.; Arkian, P.; Solati, Z.; Jalali, M. Improving of Safranin-O Characteristics as a Photosynthesis through Adjusting pH Value in Dye-Sensitized Solar Cells. IOP Solid-State Science and Technology. Interfaces 2020, 9(6), 065022.
مدل‌سازی چگالی حاملهای بار در سلول خورشیدی نانوساختاری حالت جامد حساس شده با رنگدانه
تهمینه جلالی1*، مرتضی صادقی1 و شهریار عصفوری2
1گروه فیزیک دانشگاه خلیج فارس، بوشهر
2گروه مهندسی شیمی، دانشکده نفت، گاز و پتروشیمی، دانشگاه خلیج فارس، بوشهر
jalali@pgu.ac.ir
1- مقدمه
یکی از منابع انرژی تجدیدپذیر که مزایای بسیاری همچون ارزان بودن و سازگاری با محیطزیست دارد، استفاده از انرژی خورشید از طریق سلولهای خورشیدی میباشد. برای درک بهتر مزایای انرژی خورشید، میتوان این را در نظر داشت که با هر ساعت تابش خورشید بر زمین، انرژی مورد نیاز بشر به مدت یکسال فراهم میشود[۱-3]. سلولهای خورشیدی طبق فرآیند اثر فوتوولتائیک، تابش نور خورشید را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. کشف پدیده فوتوولتائیک به ادموند بکرل فیزیکدان فرانسوی در سال 1839 میلادی نسبت داده شده است[۴]. اما در سال 1883 اولین سلول خورشیدی نیمرسانا، توسط فریتس از نیمرسانای سلنیوم ساخته شد که با بازدهی 1%، نور را به جریان الکتریکی تبدیل میکرد. در سال 1946 راسل اهل سلول خورشیدی سیلیکونی را اختراع کرد و در سال 1954 نخستین سلول خورشیدی با استفاده از سیلیکون بلوری با قابلیت تبدیل واقعی انرژی خورشید به الکتریسیته با بازده 4/5% در آزمایشگاه بل ساخته شد. سلولهای خورشیدی با فناوری لایههای نازک یا همان نسل دوم سلولهای خورشیدی، بر اساس لایهنشانی نیمرساناها بر روی زیرلایه شیشهای، فلزی یا پلیمری با ضخامتهای در حدود نانومتر میباشند[۵-۷]. نسل دوم سلولهای خورشیدی یکی از دستاوردهای بشر در سالهای 1980 تا 1982 بوده است که اولین بار توسط بویینگ معرفی شدند. بازدهی سلولهای خورشیدی لایه نازک طی این دو سال از 5/7% به 10% رسید. سرانجام اولین سلول خورشیدی لایه نازک با نام تجاری Cu (In, Ga)Se2 در سال 1998 تولید شد[۸-۱۰]. سلولهای خورشیدی مبتنی بر مواد آلی اولین بار در سال 1959 با ساختاری از یک ماده آلی ساندویچ شده بین دو الکترود، توسط کالمن کشف شدند. در سال 1988 اولین سلول خورشیدی حساس شده با رنگدانه توسط مایکل گراتزل و همکاران ساخته شد. این سلول از یک نوع رنگدانه آلی طبیعی یا صنعتی در داخل استفاده میکند[۱۱-۱۳]. این نوع سلولها نسل سوم سلولهای خورشیدی نامیده شدند و شامل سلولهای خورشیدی حساس شده به رنگدانههای طبیعی، سلولهای خورشیدی پلیمری، سلولهای خورشیدی نانو بلوری و سلولهای خورشیدی هیبریدی میباشند. سلولهای خورشیدی بر پایه‌ی پروسکایت هالید آلی-معدنی، به این دسته تعلق دارند. بازده سلولهای خورشیدی این مواد در شرایط آزمایشگاهی از 8% درسال 2009 به 9% در سال 2014 و سپس به 1/22% در سال 2016 رسید[۱۴-۱۷]. اگر چه سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگدانه هزینه کمتر و روش ساخت آسانتری نسبت به سلولهای سیلیکونی داشتند ولی با توجه به برخی از موانع قابلیت استفاده در بازار را نداشتند. در سال 1991 گرتزل و همکاران این مشکل را با به کار بردن فوتو الکترود TiO2 نانو ساختاری متخلخل حل کردند. تحقیقات اولیه در سالهای 1970 تا 1990 بر روی نیمرساناهای تک بلوری یا چندبلوری بود که جذب رنگدانه زیادی نداشته و میزان جمع آوری نور پایینی داشتند[۱۸]. در نتیجه بازده تبدیل فوتون به جریان در این سلولها بسیار کم بود. به منظور افزایش بازده جمع آوری نور در سلولهای خورشیدی فوتو الکتروشیمیایی1(LHE) دو رهیافت به کار گرفته شد. این رهیافت‌ها مبتنی بر افزایش سطح مؤثر الکترود TiO2 و همچنین استفاده از رنگدانههای با بازده جذب نور وسیع تر بود. بنابراین بیشترین بهبود در عملکرد سلول خورشیدی حساس شده با رنگدانه با ساخت فوتوالکترود، شامل لایه متخلخل نانو ساختاری TiO2 که سطح زیادی را برای جذب مولکولهای رنگدانه فراهم می کند و همین طور استفاده از رنگدانه حاوی کمپلکسهای فلز روتنیوم که ناحیه نور مرئی و نزدیک مادون قرمز (nm400-800) را جذب میکند به وجود آمد [۱۹]. در سال 2014 روری ارگونگ2 و همکاران یک مدل‌سازی عددی از سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگدانه بر پایه TiO2 طراحی کردند که اجازه میدهد تا تئوری مشخصهی جریان-ولتاژ ساخته شده، پارامترهای فوتوولتاییک آن تعیین شده و اطلاعات مهمی در خصوص عوامل اصلی مؤثر بر عملکرد سلول بدست آید. برای مدل‌سازی سلول خورشیدی یک معادله دیفرانسیل پیوستگی یک بعدی مطرح شده است که انتقال بار را در این ساختار توضیح میدهد. نتایج شبیهسازی اجازه میدهد تا قطر بهینه TiO2 مشخص شود[۲۰]. منگ نی 3و همکاران در سال 2006 یک مدل تئوری بر پایه اجماع دو مدل سد شوتکی4 و مدل پخش الکترون5 بسط داده شده را برای مشخص شدن تأثیر فصل مشترک TCO/TiO2 بر روی نمودار مشخصه جریان-ولتاژ در سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگدانه بررسی کردند. تئوری انتشار حرارتی6 به طور مناسب برای توجیه انتقال الکترون از فصل مشترک TCO7/TiO2 به کار برده شده است. اگر ارتفاع سد شوتکی به کمترین مقدار خود کاهش یابد تغییرات بیشینه توان خروجی در سلول ناچیز خواهد بود. این مدل تئوری میتواند برای تسهیل در انتخاب ماده TCO مناسب در طراحی سلول برای پرهیز از مضرات تأثیر فصل مشترک TCO/TiO2 به کار برده شود[۲۱]. در سال 2011 یک مدل‌سازی ناپایا از سلولهای خورشیدی که واکنش‌های الکتروشیمیایی درون سلول را توصیف میکند ارائه شد. متغیرهای بدست آمده، پتانسیل و غلظت یون‌های مختلف هستند که میتوانند برای تعیین نمودار مشخصه جریان-ولتاژ سلول استفاده شوند. این معادلات در قالب دو بعدی با استفاده از نرم افزارکامسول8 حل شده‌اند. این مدل تأثیرات لبه در جایی که الکترود مقابل از فوتو الکترود بزرگتر است را مورد بررسی قرار داده است. نشان داده شده است که هندسه‌ی سلول تأثیرات معناداری بر روی غلظت یون‌های مختلف در ناحیه فعال
و زمان رسیدن به حالت پایا دارد[۲۲].
در سال 2020 بنجامین کی کوریر9 و همکاران شبیهسازی عددی یک مدل جدید سلول خورشیدی حالت جامد حساس شده با رنگدانه را ارائه کردند. سلول متشکل از لایههای حالت جامد با پیکربندی FTO/PC61BM/N719/CuSCN/Au با استفاده از نرم افزار شبیه‌ساز ظرفیت سلول خورشیدی یک بعدی (SCAPS-1D) مدل شد[۲۳]. سپس مطالعه عددی سلول خورشیدی حالت جامد حساس شده با رنگدانه(DSSC) با یدید مس(I) به عنوان لایه انتقال حفره با استفاده از این نرم‌افزار شبیهسازی شد و چندین پارامتر کلیدی از قبیل ضخامت لایه، غلظت آلایش، دمای کار، و نقص رابط برای بدست آوردن بالاترین بازده مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت[۲۴].
در این تحقیق به بررسی عملکرد سلول خورشیدی نانوساختاری حالت جامد حساس شده با رنگدانه پرداخته می شود. در مرحله بعد، عملکرد این سلولها و اجزای آنها مورد بررسی قرار می‌گیرد. سپس، معادلات حاکم بر مسئله مورد بررسی قرار می‌گیرد و چیدمان شبیه سازی در کامسول معرفی میشود. درنهایت بحث و بررسی ساختارهای مورد مطالعه و مقایسه آنها ارائه میشوند. در انتها نتیجه‌گیری نهایی ارائه میشود.
بنابراین در ابتدا لازم است توضیحاتی در رابطه با نحوه عملکرد سلول خورشیدی حالت جامد حساس شده با رنگدانه آورده شود. در سلولهاي خورشيدي حالت جامد حساس شده با رنگدانه به جاي استفاده از الكتروليت‌هاي مايع از مواد هادي حفره استفاده ميشود. ماده هادي حفره از مولكولهاي كوچك با گاف انرژي بزرگ مانند اسپایرو-امتاد10 تشكيل شده است[۲۵]. از آنجايي كه p3ht و pedot پليمرهاي نيمه‌هادي مانند در اين نوع سلولهاي خورشيدي از الكتروليت هاي مايع خورنده استفاده نمي‌شود، فرايندهاي بستن سلول ساده‌تر است و انتظار مي‌رود اين نوع سلولهاي خورشيدي از لحاظ تجاري گزينه مناسب‌تري باشند. تاكنون بيشترين مقدار ولتاژ مدار باز (بيشتر از 1 ولت) از سلولهاي خورشيدي حالت جامد حساس شده با رنگدانه با الكتروليت‌هاي بر پايه مولكولهاي كوچك حاصل شده است. در يك سلول خورشيدي حالت جامد حساس شده با رنگدانه انتقال حفره مستقيماً از رنگدانه اكسيد شده صورت مي‌گيرد. حفره از بالاترين تراز اشغال شده الكتروليت جامد عبور كرده و به الكترود شمارنده منتقل ميشود. احياي مجدد رنگدانه به طور معمول از مرتبه 10 تا چند صد پيكوثانيه است. اين مقدار چندين برابر سريعتر از احياي مجدد رنگدانه در الكتروليت‌هاي بر پايه يديد-تري يديد است. نرخ بالاي بازتركيب الكترون‌ها و نيز دشواري نفوذ الكتروليت جامد در الكترودهاي ضخيم سبب شده است كه سلول خورشيدي حساس شده با رنگدانه بر پايه الكتروليت‌هاي جامد در ضخامت‌هاي چند ميكروني و نازك‌تر از حد معمول بهتر كار كنند. چالش بزرگتري كه اين نوع سلولها با آن روبرو هستند اين است كه ضخامت كمتر فوتوآند در اين سلولها سبب ميشود تا نور به طور كامل جذب نشود و اين امر منجر به كاهش بازده كوانتومي داخلي و نيز چگالي جريان كمتر در مقايسه با سلولهاي خورشيدي حساس شده با رنگدانه با الكتروليت مايع ميشود. عوامل زيادي وجود دارند كه ميتوانند بر باز تركيب الكترون‌هاي تراز هدايت اكسيد تيتانيوم و حفره‌هاي موجود در الكتروليت هادي حفره تأثير گذار باشند. نرخ بازتركيب الكترون‌ها در الكتروليت‌هاي جامد معمولاً چند مرتبه سريعتر از الكتروليت‌هاي مايع بر پايه يديد-تري‌يديد است. بازتركيب در سلولهاي خورشيدي جامد با مهندسي سطح اكسيد تيتانيوم و مخلوط كردن الكتروليت با افزودن به الكتروليت عموماً p هاي يوني اصلاح ميشود. افزودن ناخالصی‌ها مي‌تواند سبب افزايش ولتاژ مدار باز و ضريب پرشدگي الكتروليت شود. الكتروليت‌هاي جامد انتقال دهنده حفره معمولاً با روشهاي بر پايه حلال لایه نشاني مي‌شوند. لایههای مورد استفاده در ساخت سلولهای خورشیدی حالت جامد حساس شده با رنگدانه را میتوان به پنج گروه شیشه رسانای شفاف، لایه انتقال دهنده الکترون، لایه جاذب نور، لایه انتقال دهنده حفره و الکترود فلزی تقسیمبندی نمود که نحوه قرار گیری هر یک از آنها در شکل ۱ نشان داده شده است[۲۶-۲۹].
در سلولهای خورشیدی پروسکایتی، معمولاً از شیشه پوشش داده شده با یک لایه نازک اکسیدی شفاف و رسانا(TCO) به عنوان زیر لایه استفاده میشود. این لایه دارای انرژی گاف نواری پهنی
شکل ۱. لایههای سلول خورشیدی حالت جامد حساس شده با رنگدانه
میباشد تا فوتونهای تابیده بدون جذب در این لایه به داخل سلول خورشیدی وارد شوند و به لایه فعال برسند[۳۱]. لایه انتقال دهده الکترون یا ETL11 باید دارای تابع کار مناسب، هدایت بالا و نرخ بازترکیب پایین بر روی سطح باشد. ETL شامل لایه فشرده(سدی) و لایه مزومتخلخل TiO2 است. وظیفه لایه فشرده، پوشش دهی سطح FTO12 است تا مانع از بازگشت الکترون از FTO به لایه انتقال دهنده حفره و بازترکیب الکترون و حفره موجود در HTL13 شود. لایه مزومتخلخل TiO2 حاوی نانوذرات 20 نانومتری است که مسیری برای ترابرد الکترون به TCO است. این لایه به دلیل سطح ویژه بالایی که دارد سبب میشود که ماده جذب کننده نور به میزان قابل توجهی روی این لایه قرار بگیرد[۳۲]. لایه جاذب نور متشکل از ماده آلی یا معدنی یا ترکیبی از آلی-معدنی است که باید انرژی گاف نواری مناسب داشته باشد تا فوتونهای گستره وسیعی از طیف خورشید را جذب کند. ضریب جذب نوری بالا، بازده کوانتومی بالا برای حاملهای برانگیخته شده، طول نفوذ بیشتر حاملهای بار و سرعت بازترکیب پایین از دیگر ویژگیهای این لایه است. لایه بعدی، لایه انتقال دهنده حفره یا HTL است که بایستی تراز انرژی بالاترین اوربیتال مولکولی دارای الکترون مربوط به ماده انتقال دهنده حفره، با انرژی نوار ظرفیت پروسکایت تطابق داشته باشد. تحرکپذیری مناسب برای حفره و پایداری حرارتی و فوتوشیمیایی نیز از دیگر ویژگیهای HTL است. ضخامت HTL را 100-200 نانومتر انتخاب میکنند تا مانع تماس مستقیم پروسکایت و الکترود فلزی شود و در نتیجه بازترکیب بار را به حداقل برساند[29].
بهترین و متداولترین ماده مورد استفاده به عنوان HTL، اسپایرو-امتاد است. حلالیت، پتانسیل یونیزاسیون و شفاف بودن در محدوده طیف مرئی از ویژگیهای این ترکیب پلیمری است که باعث میشود گزینه مناسبی باشد. از پلی‌تری‌آریل‌آمین14 و کمپلکس پلیمر پلی(3 و 4-اتیلن‌دی‌اکسی‌تیوفن) با پلی(استایرن سولففونات)15 نیز میتوان به عنوان HTL استفاده کرد[۳۳]. پلی‌تری‌آریل‌آمین همچنین به عنوان الکترولیت جامد در سلولهای خورشیدی پروسکایتی استفاده میشود. این ترکیب قابلیت انحلال در حلالهای آلی از جمله کلروبنزن و تولوئن را دارد. امروزه ایده‌های جدید و روشهای متنوعی به منظور ساخت سلولهای خورشیدی با بازدهی بالا به کار گرفته شده و مورد توجه بسیاری از محققین است. کیفیت و خلوص مواد اولیه، روشهای لایه نشانی مناسب، ضخامت لایهها و استفاده از حلالهای بدون آب از جمله مواردی هستند که در بدست آوردن بازده بالا و سایر نتایج مطلوب سلولهای ساخته شده تأثیر بسزایی دارند[۳۴-۳۶]. آخرین لایه، معمولاً یک لایه فلزی با هدایت بالا و از جنس طلا یا نقره است. ضخامت این لایه معمولاً بیشتر از 50 نانومتر است و گاهی اوقات برای دستیابی به اتصال بهتر یک لایه نقره بر روی طلا نشانده میشود[32].
2- معادلات حاکم و چیدمان شبیهسازی سلول خورشیدی حالت جامد حساس شده با رنگدانه
1-2- معادلات حاکم بر مسئله
هنگامی که برای تشکیل ساختار بلوری، الکترونها به هم نزدیک میشوند، سطوح انرژی به صورت مجزا شکافته میشوند. بین این دو نوار یک فاصلهی انرژی به نام گاف نواری 
وجود دارد، که پارامتری مهم در سلولهای خورشیدی است. تعداد الکترونهای نوار هدایت در واحد حجم را با n و تعداد حفره‌های نوار ظرفیت در واحد حجم را با p نمایش می‌دهند(معادلات 1 و 2).
(1)
(2)
که 
انرژی سطح فرمی، K ثابت بولتزمن، T دمای مطلق و 
و 
چگالی مؤثر حالت‌های الکترون و حفره در نوار هدایت و ظرفیت هستند. زمانی که یک ولتاژ بایاس VF با پایانهی مثبت p و پایانه منفی n اعمال شده باشد، ولتاژ اعمالی پتانسیل الکترواستاتیک را در سراسر ناحیه تهی کاهش میدهد. جریان سوق کاهش مییابد و انتشار الکترونها و حفرهها به ترتیب از n به p و از p به n افزایش مییابد. وقتی یک ولتاژ بایاس معکوس VR به پیوندگاه p-n اعمال شود، ولتاژ اعمال شده پتانسیل الکترواستاتیک را در سراسر ناحیه تهی افزایش میدهد. بنابراین، جریان انتشار از بین میرود. مشخصه جریان ولتاژ اتصال p-n بدین صورت است:
(۳) 
جریان فوتوالکترون بستگی به کارایی نور خورشیدی فرودی، حمل و نقل حاملان بار و بازده مجموعه دارد. مجموع چگالی جریان ایجاد شده توسط میدان چگالی جریان سوق شناخته میشود که 
رسانندگی است و جریان سوق از رابطه ی زیر بدست می‌آید:
(۴)
زمانی که اختلاف فضایی میان غلظت الکترونها در نمونه نیمرسانا وجود دارد، الکترونها از ناحیه‌ای با غلظت بالاتر به ناحیه‌ای با غلظت پایینتر حرکت میکنند. این جریان، جریان پخش نامیده میشود. در صورتی که غلظت الکترون با شیب یک بعدی در نظر گرفته شود، الکترونها از راست به چپ شارش می‌یابند و سرعت انتشار الکترون در واحد سطح عبارت است از:
(۵)
که 
ضریب پخش الکترون نامیده میشود. بنابراین جریان پخش الکترون از رابطه زیر بدست می‌آید:
(۶)
زمانی که میدان الکتریکی و شیب غلظت معلوم باشند مجموع چگالی جریان الکترون به صورت زیر بدست می‌آید:
(۷)
پدیده‌های جریان سوق، جریان پخش، تولید و بازترکیب به صورت همزمان صورت می‌گیرند. برای ارتباط بین این پدیده‌ها در یک بعد، افزایش خالص الکترونها در واحد زمان در این حجم از جمع روی جریان خالص ورودی به آن و تولید حامل بدست می‌آید:
(۸)
که 
و 
به ترتیب آهنگ‌های تولید و بازترکیب در نظر گرفته شده‌اند. معادله پیوستگی برای الکترونها در نیمرسانای نوع p عبارت است از:
(۹)
که 
چگالی جریان حفره و 
و 
به ترتیب سرعت تولید و بازترکیب حفرهها هستند. با جایگذاری عبارت جریان با معادله‌های مربوط به جریان سوق و جریان پخش، معادله پیوستگی به صورت زیر بیان میشود:
(۱۰)
علاوه بر معادله پیوستگی، معادله‌ی پواسون نیز باید برقرار باشد، که به صورت زیر است:
(۱۱)
که در آن 
ضریب گذردهی نارسانایی نیمرسانا و 
چگالی بار فضایی است که از حاصل جمع جبری چگالی‌های حامل بار و تراکم ناخالصی یونیده به صورت زیر بدست می‌آید:
(۱۲)
به ترتیب چگالی الکترونهای تعادلی در طرف n وp میباشند. اختلاف پتانسیل کل الکترواستاتیکی بین طرف p و n مناطق خنثی در تعادل گرمایی را سد پتانسیل16، 
، میگویند و برابر است با:
(۱۳)
که در آن از قانون بقای جرم استفاده میشود. از باز آرایش معادله بالا میتوان دریافت:
(14)
وقتی بایاس مستقیم اعمال میشود، اختلاف پتانسیل الکترواستاتیکی به 
کاهش مییابد. اما وقتی بایاس وارون اعمال میشود، اختلاف پتانسیل الکترواستاتیکی به 
افزایش مییابد. بدین ترتیب معادله قبل به صورت زیر نشان داده میشود:
(۱۵)
که در آن 
و 
به ترتیب چگالی‌های الکترونهای غیرتعادلی در مرزهای ناحیه تهی در طرف n و p هستند. v برای بایاس مستقیم مثبت و برای بایاس وارون منفی میباشد. برای حالت تزریق پایین چگالی حامل اقلیت تزریق شده خیلی کوچک تر از چگالی حامل اکثریت است، بنابراین: 
.
(۱۶)
این معادله چگالی حامل اقلیت در مرزها را نشان میدهد. این معادلات برای مشخصه‌های جریان-ولتاژ ایدهآل مهمترین شرایط مرزی میباشند. بنابراین، جریان پخش عبارت خواهد بود از:
(۱۷)
در معادله 17 
برابر با 
و نشان دهنده طول پخش حفرهها در ناحیه n است. جریان کل در سرتاسر قطعه ثابت است و برای ناحیه p خنثی روابط زیر حاکم خواهند بود:
(۱۸)
(۱۹)
فاکتور پرشدگی، معیاری از رفتار مستطیل گونه نمودار جریان-ولتاژ است. هر چقدر این فاکتور به یک نزدیکتر باشد نشان دهنده عملکرد بهتر سلول است. فاکتور پرشدگی به صورت نسبت توان خروجی بیشینه سلول به حاصل ضرب ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه قابل محاسبه میباشد و با رابطه (20) بیان میشود و برای سلول ایدهآل، 1 میباشد:
(۲۰)
در رابطه بالا
است.
برای محاسبه بازدهی سلول خورشیدی از تعریف زیر استفاده میشود که Pinتوان نور فرودی بر سلول است و در شرایط استاندارد تابش نور خورشید مقدار آن 100 میلی وات بر سانتیمتر مربع است:
(۲۱) 
2-2- چیدمان شبیهسازی
کامسول برای شبیهسازی یک مدل جفت شده نوری-نیمرسانا دو مرحله‌ای استفاده میشود و نمودار جریان ولتاژ را ارائه میکند. مزیت شبیهسازی جفت شده این است که طراحی ۲ بعدی فوتوآند میتواند به طور مستقیم در مدل و اثرات تله گذاری نور گنجانده شود. علاوه بر این، شبکه‌های بدون ساختار در کامسول امکان مطالعه دامنه نسبتاً بزرگ(بیش از 10 میکرومتر) در طول موج‌های مرئی را فراهم میکند. با توجه به دوره تناوب نانوساختار، فضای شبیهسازی یک سلول واحد حاوی یک نانومیله واحد است. در مرحله اول، ماژول RF(حوزه فرکانس) برای مدل‌سازی پاسخ نوری در هر طول موج طیف خورشیدی(AM 1.5)، با تفکیک طیفی 5 نانومتر استفاده میشود. پارامترهای ورودی برای مدل نوری، هندسه DSSC شامل ضخامت لایه TiO2، طول نانومیله ITO و فاصله و همچنین ضریب شکست اجزای مختلف است(شکل۲).
ضخامت و ضریب شکست لایه TiO2 و لایههای دیگر، در جدول ۱ نشان داده شده است. از نتایج شبیهسازی نوری، میتوان اثر فوتونیکی ، حداکثر بازده و جذب لایه TiO2 فعال را مطالعه کرد. یک شرط مرزی پورت تعریف شده توسط کاربر برای راه اندازی یک موج صفحه با زاویه برخورد دلخواه، استفاده می شود.
|
شکل ۲. لایههای سلول طراحی شده و نور فرودی |
جدول 1. داده های ورودی برای هندسه مدل و ضریب شکست هر لایه
ضریب شکست | ضخامت[µm] | ماده |
6142/2 | 05/0 | TiO2 |
8271/1 | 3/0 | ITO |
34/1 | 3/0 | Pt |
5806/1 | 05/0 | PEDOT:PSS |
13/2 | 5/0 | TiO2+Dye(N719) |
شرایط مرزی به صورت kFx=emw.k0*Nkx در صفحات x و kFy=emw.k0*Nky درصفحات y تعریف میشوند. توان ورودی در هر طول موج با طیف خورشیدی AM 1.5 مطابقت دارد. برای جذب تمام امواج منعکس شده و ارسالی با جهات مختلف، از فرمول زمینه و میدان پراکنده استفاده میشود. به‌طور خاص، میدان‌های نوری چندلایه‌های بی‌نهایت گسترش‌یافته ابتدا برای ارائه میدان‌های پس‌زمینه محاسبه میشوند و فرمول‌بندی میدان پراکنده در نظر گرفته میشوند. در جدول ۲ داده‌های ورودی ماژول نیمرسانا نشان داده شده است.
در این تحقیق چهار سلول مطابق شکل 2 با ضخامت لایههای یکسان و جنس متفاوت مدل‌سازی شده است. سلول 1 شامل لایههای ITO/PEDOT:PSS/N719/TiO2/Pt، سلول2، لایهی انتقال دهنده‌ی حفره از PEDOT:PSS به P3HT تغییر داده شد و لایههای کلی به صورت ITO/P3HT/N719/TiO2/Pt است. در سلول 3 لایهی انتقال دهنده‌ی الکترون از TiO2 به ZnO تغییر داده شد و لایههای کلی به صورت ITO/ PEDOT:PSS/N719/ZnO/Pt طراحی شد. در سلول 4 نیز برای بررسی تأثیر تغییر ضخامت لایهها بر عملکرد سلول ضخامت لایهی رنگدانه به نصف کاهش یافته است.
۳- نتایج و بحث
درشکل ۲ مدل سلولهاي خورشيدي نمایش داده شده است. شبیه سازی در d مساوی nm200 و nm۳00 اجرا شد. مقادیر J، V و توان خروجی برای هر ضخامت فوتوآند و همچنین برای ضرایب جذب مختلف محاسبه شد. نمودارهای مربوطه رسم شد و کارایی سلولها تعیین شد. شکل‌های 3 و 4 به ترتیب منحنی‌های توان و جریان-ولتاژ سلولهای مدل شده از فوتوآندهای 2 بعدی ITO را نشان می‌دهند. مشاهده میشود که نانوساختار دو بعدی جریان نوری را در حدود 20% افزایش میدهد. در سلول 1 ولتاژ مدار باز 87/1 ولت و جریان اتصال کوتاه 3/17 میلی‌آمپر بر سانتی‌مترمربع گزارش شده که بیشترین جریان و ولتاژ را در بین هر چهار سلول دارد. در سلول2، لایه انتقال دهنده حفره از PEDOT:PSS به P3HT تغییر داده شد که ولتاژ مدار باز 05/1 ولت و جریان اتصال کوتاه 75/12 میلی‌آمپر بر سانتی‌مترمربع
[1] Light Harvesting Efficiency
[2] Ruri Agung
[3] Meng Ni
[4] Schottky barrier model
[5] Electron diffusion model
[6] Thermionic-emission
[7] Transparent Conductive Oxide
[8] Comsol software
[9] Benjamin K. Korir
[10] Spiro-OMeTAD
[11] Electron Transport Layers
[12] Fluorine-doped Tin Oxide
[13] Hole Transport Layer
[14] PTTA
[15] PSS:PEDOT
[16] Built-in
جدول 2. پارامترهای مورد نیاز مواد TiO2 و Dye(N719) و PEDOT
PEDOT:PSS | Dye(N719) | TiO2 | پارامترها |
[cm^2/(V*s)]100 | [cm^2/(V*s)]5 | [cm^2/(V*s)]30 | تحرک الکترون |
[cm^2/(V*s)]0.4 | [cm^2/(V*s)]5 | [cm^2/(V*s)]10 | تحرک حفره |
3.6 | 3.9 | 4 | الکترون خواهی |
10 | 30 | 5 | گذردهی نسبی |
[ | [ | [ | چگالی موثر حالت ها در نوار ظرفیت |
[ | [ | [ | چگالی موثر حالت ها در نوار رسانش |
2.2 | 2.37 | 3.2 |
|
|
شکل ۳. منحنی جریان ولتاژ سلولهای طراحی شده |
|
|
شکل ۴. منحنی توان ولتاژ سلولهای طراحی شده |
بدست آمد.
همان طور که مشخص است، لایه انتقال دهنده حفره P3HT دارای عملکرد به مراتب ضعیفتری است. دلیل ضعف P3HT نسبت به PEDOT:PSS این است که ترکیب PEDOT:PSS از اغلب قابلیت‌های مورد نیاز برای انتقال دادن حفره مناسب در سلول خورشیدی برخوردار است. اين قابلیت‌ها شامل عبوردهی بسیار زياد نور در ناحیه مرئی، جمع آوری حفره از لایه فعال و انتقال مؤثر آن به سمت آند و مانع شدن از نفوذ الکترون از ناحیه‌ی فعال به سمت آند است. تابع کار بسیار بزرگ معمولاً در حدود 8/4 الی 2/5 الکترون ولت گزارش شده (عامل برقراری تماس اهمی مطلوب با اکثر مواد پلیمری الکترون دهنده در لایه فعال) و پایداری نسبتاً زياد آن است. از طرفی لایهی P3HT با دارا بودن گاف نواری کوچکتر در حدود 1 الکترون ولت، بیشتر برای لایهی فعال و جذب فوتون‌ها مناسب است و با دارا بودن تابع کار پایینتر نمیتواند به صورت ترکیب پلیمری PEDOT:PSS مانع از نفوذ الکترونها به سمت آند شود و در نتیجه درصد کمتری از نور جذب شده به جریان تبدیل میشود. در واقع می توان از این ترکیب به تنهایی به عنوان لایه جاذب و لایهی انتقال دهنده حفره نیز استفاده کرد، زیرا از جذب بالایی نیز بر خوردار است. در سلول 3 لایه انتقال دهنده الکترون بهZnO تغییر داده شد. مشاهده میشود که ولتاژ مدار باز 86/1 ولت و جریان اتصال کوتاه 28/17 میلی‌آمپر بر سانتی‌مترمربع بدست آمد که نسبت به سلول 1 تفاوت چندانی ندارد و عملکرد ZnO نسبت به TiO2 قابل قبول است. در سلول 4 نشان داده شد که تغییر ضخامت لایه بر عملکرد سلول تأثیر مستقیم دارد و با کاهش ضخامت لایه رنگدانه، افت جذب و در نتیجه، افت جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدار مشاهده میشود. در مدل‌های آزمایشی این نکته حاصل شد که افزایش بیش از حد ضخامت لایهها باعث افزایش بازترکیب حامل‌ها و در نتیجه کاهش بازده سلول میشود. پارامترهای کلیدی محاسبه شده سلولهای 1 تا 4 در جدول 3 نشان داده شده است.
با این وجود شکل ۴ نشان می دهد که توان سلول شماره ۳ از بقیه سلولها بیشتر است و سلول ۴ ضعیف‌ترین سلول می باشد. همان‌گونه که از جدول 3 مشاهده میشود در سلول اول بیشترین جریان خروجی و در نتیجه بیشترین بازده تبدیل حاصل شد. در سلول دوم با تغییر لایه انتقال دهنده حفره آلی به P3HT، افت قابل ملاحظه‌ای در جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدار باز مشاهده میشود. در لایه سوم با تغییر لایه انتقال دهنده الکترون از TiO2
جدول ۳. مقایسه‌ی پارامترهای محاسبه شده سلولها
شماره سلول | ساختار | Isc(mA) | VOC(V) | PM(mW) | Imp(mA) | VMP(V) | FF |
|
1 | ITO-PEDOT-Dye-TiO2-Pt | 3/17 | 87/1 | 2/29 | 87/16 | 73/1 | 9/0 | 2/29 |
2 | ITO-P3HT-Dye- TiO2-Pt | 75/12 | 05/1 | 1/9 | 37/11 | 8/0 | 68/0 | 1/9 |
3 | ITO-PEDOT-Dye-ZnO-Pt | 29/17 | 86/1 | 4/26 | 7/16 | 58/1 | 82/0 | 4/26 |
4 | تغییر ضخامت Dye در سلول1 | 78/13 | 85/1 | 3/23 | 39/13 | 74/1 | 91/0 | 3/23 |
به ZnO، نسبت به سلول اول افت محسوسی در جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدار باز و همچنین بازده تبدیل نسبت به سلول اول ملاحظه نشد. با کاهش ضخامت رنگدانه به عنوان لایه جاذب (سلول 4) ملاحظه میشود که جریان اتصال کوتاه افت محسوسی داشته است؛ اما ولتاژ مدار باز تقریباً ثابت مانده است. در این سلول فاکتور پرشدگی 91/0 محاسبه شد که مقداری قابل ملاحظه است. پس طبق این شبیهسازی، واضح است که PEDOT:PSS نسبت به P3HT به مراتب انتقال دهنده‌ی حفره‌ی بهتری است و همچنین نسبت به ZnO با اختلاف اندک، انتقال دهنده‌ی الکترون بهتری است.
4- نتيجه گيری
هدف از انجام این مقاله، بررسی بهبود عملکرد سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگدانه حالت جامد شامل رنگدانه مصنوعیN719 است. برای این منظور با ساخت این مدل سلولها در نرم افزار شبیهسازی کامسول، عملکرد آنها مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. سلول 1 به شکل لایههای ITO/PEDOT:PSS/N719/TiO2/Pt طراحی شد. در این سلول ولتاژ مدار باز 87/1 ولت و جریان اتصال کوتاه 3/17 میلی‌آمپر بر سانتیمتر مربع بدست آمد، که بیشترین جریان و ولتاژ را در بین 4 سلول دارد. استفاده از P3HT به عنوان لایهی انتقال دهنده‌ی حفره در سلول 2، عملکرد ضعیفتری را در مقایسه با سلول 1 نشان داد. بررسی پیک جذب سلولها نشان داد که سلول 1، بیشترین جذب را در بین سلولها دارد. نتایج این شبیهسازی عددی نشان میدهد که با تغییر مواد لایهی انتقال دهنده‌ی حفره و الکترون و همچنین تغییر ضخامت لایه فعال، میتوان به بهبود جذب و بهینه‌سازی سلولهای خورشیدی حالت جامد حساس شده با رنگدانه دست یافت. در نتیجه شبیهسازی عددی نشان‌دهنده‌ی امکان بهبود جذب و بهینه‌سازی سلولهای خورشیدی با تغییر ساختار و مواد آنها است. نتایج این مطالعه میتواند در طراحی و ساخت سلولهای خورشیدی حالت جامد حساس شده با رنگدانه با راندمان بالاتر مورد استفاده قرار گیرد.
مراجع
1. J. Conti, P. Holtberg, J. Diefenderfer, A. LaRose, J. T. Turnure, L. estfall. Int.energy outlook 2016 with projections to 2040. No. DOE/EIA-0484 (2016).
2. B. Li, W. Liduo, K. Bona, P. Wang, Y. Qiu. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 90, 549(2006).
3. V. Kamat, J. Phys. Chem. C 111, 2834 (2007).
4. J. Correa-Baena, A. Abate, M. Saliba, W. Tress, T. Jacobsson, M. Grätzel, A. Hagfeldt., Energy & Env. Sci. 10, 710(2017).
5. C. Li, M. Liu, N. G. Pschirer, M. Baumgarten, K. Mullen. Chem. Rev. 110, 6817 (2010).
6. M. Golshan, S. Osfouri, R. Azin, and T. Jalali. J. Photochem. & Photobio. A: Chem. 388 112191 (2020).
7. S. Tatsuo. NPG Asia Mater. 2, 96(2010).
8. K. Wongcharee, V. Meeyoo, S. Chavadej, Solar Energy Mat.& Solar Cells, 91, 566(2007).
9. A. Gregg, Brian A., MRS bulletin 30, 20 (2005).
10. P. Procel, X. Haiyuan, C. Aurora Saez, C. Ruiz‐Tobon, L. Mazzarella, Y. Zhao, C. Han, G. Yang, M. Zeman, O. Isabella., Prog. Photovolt. Res.& applic. 28, 935(2020).
11. A. Rosencwaig, A. Gersho. J. Appl. Phys. 47, 64 (1976).
12. M. Becquerel, sciences 9, 561 (1839).
14. M. Chapin, Daryl, C. Fuller, and G. Pearson, J. appl. Phys. 25, 676 (1954).
15. C. Fritts, Am. J. Sci. 3, 465 (1883).
16. H. Kallmann, M. Pope, J. Chem. Phys. 30, 2, 585(1959).
17. EPIA-European Photovoltaic Industry Association. "Global market outlook for photovoltaics 2013-2017." EPIA report. Disponível em: http://www. epia. org/home (2013).
18. F. Jahantigh, M. Safikhani., Appl. Phys. A 125, 1(2019).
19. A. Kojima, K.Teshima, Y. Shirai, T. Miyasaka. J. Am. Chem. Soc. 131, 6050 (2009).
20. T. Jalali, P. Arkian, Z. solati. M. Jalali, M. Golshan. S. Osfouri, Opt. Mater. 110, 110441 (2020).
21. T. Jalali, Appl. Phys. A 124, 1(2018).
22. T. Helmut., Coordination Chem.Rev. 248, 1511 (2004).
23. B. Askari M. Mirzaei, M. Abadi Vahid, M. Mirhabibi, Am. J. Optom. Physiol. Opt. 3, 94 (2015).
24. V. Kamat, Acc. Chem. Res. 45, 1906 (2012).
25. A., Dechan, F. C. Krebs., J. Appl. Polym. Sci. 129, 1 (2013).
26. D. Prochowicz, M. Tavakoli, M. Wolska-Pietkiewicz, M. Jędrzejewska, S. Trivedi, M.Kumar, Shaik M. Zakeeruddin, J. Lewiński, M. Graetzel, P. Yadav. Sol. Energy 197, 50(2020).
27. T. Mahmoudi, Y. Wang, Y. Hahn. Adv. Energy Mat., 10, 1903369 (2020).
28. B. Yu, M. Liao, Y. Zhu, X. Zhang, Z. Du, Liu et al. Adv. Functional Mat. 30, 2002230 (2020).
29. A. Marchioro, J. Teuscher, D. Friedrich, Ma. Kunst, R. Van De Krol, T. Moehl, M.Grätzel, J.E. Moser., Nature Phot. 8, 250(2014).
30. P. Singh, A. Raman, N. Kumar, Silicon, 12, 1769(2020).
31. Rombach, Florine M., Saif A. Haque, Thomas J. Macdonald, Energy Environ. Sci.,14, 5161(2021).
32. Green, Martin A., Anita Ho-Baillie, Henry J. Snaith, Nat. Photonics 8, 506(2014).
33. M. Grätzel, Acc. Chem. Res., 42, 1788(2009).
34. A. Hagfeldt, G. Boschloo L. Sun, L. Kloo, H. Pettersson, Chem. Rev., 110, 6595(2010).
35. M. Grätzel, Nature, 414, 338(2001).
36. T. Jalali, P. Arkian, Z. Solati, M. Jalali, M ECS J. Solid State Sci. Technol. 9, 065022.(2020).
Modeling charge carrier densities in solid-state nanostructured dye-sensitized solar cells
T. Jalali1*, M. Sadeghi1, Sh. Osfouri2
1Department of Physics, Faculty of Nano and Bio Sciences and Technology, Persian Gulf University, Bushehr7516913718, Iran
2Department of Chemical Engineering, Faculty of Petroleum, Gas, and Petrochemical Engineering, Persian Gulf University, Bushehr, 7516913718, Iran
Abstract: Dye-sensitized solar cells (DSSCs) are a newer generation of solar cells that, although they have lower efficiency compared to silicon-based solar cells, have a high potential for improved efficiency. Due to their better cost-effectiveness, they can replace silicon-based solar cells in the market if their efficiency and stability increase. The design and development of DSSCs have involved not only experimental and laboratory work but also numerical modeling. The aim of this work is to design and numerically model dye-sensitized solar cells based on a nanostructured semiconductor layer with a wide bandgap (titanium dioxide) and zinc oxide as the electron transporter, N719 dye as the absorber layer, and PEDOT:PSS and P3HT as hole transport materials. In this research, the advanced software CAMSOL with extensive capabilities is used for the design of dye-sensitized solar cells, and the current-voltage characteristics and optical absorption of the cell are calculated, which are in agreement with experimental data. |
Keywords: Charge carrier density, Nanostructure, Dye sensitized solar cells, Solid state dye sensitized solar cells, Solid state electrolyte.