Studies on Thickness and Internal Quantum Efficiency of Cs2AgBiBr6 Based Double Perovskite Material for Photovoltaic Application

Abstract

Безсвинцеві подвійні перовскіти нещодавно стали перспективним альтернативним матеріалом для застосування в сонячних елементах. Вони мають обнадійливі оптоелектронні властивості, високу екологічну стабільність та низьку токсичність. Подвійний перовскіт, що має два різні катіони, є нетоксичною альтернативою. Подвійний перовскіт Cs2AgBiBr6 має гарні оптичні та електронні характеристики. Тому його застосовували для високоефективних оптоелектронних пристроїв. У статті мова йде про оптимізацію товщини активного шару подвійного перовскіту Cs2AgBiBr6 для фотоелектричних додатків. Для дослідження було розроблено пристрій FTO/TiO2/Cs2AgBiBr6/Spiro-OMeTAD/Cu. Симулятор ємності сонячних елементів (SCAPS-1D) використовували для одновимірного моделювання та аналізу. Для дослідження використовували активний шар товщиною 0,1-1 мкм, а значення PCE, Voc, Jsc та FF отримували за допомогою моделювання. Оптимальна товщина активного шару становить від 0,2 до 0,4 мкм. Максимальне значення PCE виявилося рівним 3,78 %. Ефективність сонячних елементів може бути покращена додатково шляхом оптимізації щільності дефектів активного шару. В подальшому також можна спостерігати ефекти товщини шарів ETL та HTL для покращення PCE. Загалом, обнадійливі результати моделювання, отримані в дослідженні, нададуть корисні рекомендації щодо заміни часто використовуваного шкідливого перовскіта на основі свинцю екологічно чистим, високоефективним неорганічним перовскітним сонячним елементом.

The lead-free double perovskites have recently emerged as promising alternative material for solar cell application. It exhibits encouraging optoelectronic properties, high environmental stability and low toxicity. The double perovskite having two different cations are non-toxic alternatives. The double perovskite Cs2AgBiBr6 has good optical and electronic features. Therefore, it has been used for high-efficiency optoelectronic devices. In this manuscript, we report optimization of active layer thickness of double perovskite Cs2AgBiBr6 for photovoltaic application. For the study, a device FTO/TiO2/Cs2AgBiBr6/Spiro-OMeTAD/Cu was designed. The Solar Cell Capacitance Simulator (SCAPS-1D) was used for one dimensional simulation and analysis. The active layer of 0.1 to 1 µm was used for the study and PCE, Voc, Jsc and FF were obtained using simulation. The optimum active layer thickness was found to be between 0.20 µm to 0.4 µm. The maximum PCE of 3.78 % was found. The solar cell performance can be improvised further by optimizing the defect density of the active layer. Also, the effects of ETL and HTL layer thickness can be further observed for enhancement of PCE. Overall, the encouraging simulation results achieved in this study will provide insightful guidance in replacing commonly used cancerous Pb-based perovskite with eco-friendly, highly efficient inorganic perovskite solar cell.