Comparison of the Effects of ZnO and TiO2 on the Performance of Perovskite Solar Cells via SCAPS-1D Software Package

Abstract

У пошуках високоефективного та недорогого матеріалу для фотоелектричних пристроїв четвертого покоління органічно-неорганічні гібридні перовскітні сонячні елементи набувають популярності як новий поглинач. Зараз досліджуються два типи архітектури твердотільних перовскітних пристроїв. Це мезопористі і плоскі гетеропереходи. Обидві структури складаються з п'яти шарів: прозорого провідного оксиду, матеріалу для переносу електронів, активного шару перовскіту, матеріалу для переносу дірок, і зворотного контакту. У роботі за допомогою одновимірного симулятора ємності сонячних елементів (SCAPS-1D) моделюються ключові характеристики перовскітних сонячних елементів з оксидом цинку (ZnO) та діоксидом титану (TiO2) як матеріалом для переносу електронів. TiO2 є найбільш часто використовуваним матеріалом в перовскітних сонячних елементах, але для його осадження потрібна висока температура, яка обмежує промислову обробку пристроїв. ZnO широко використовується в напівпровідниковій промисловості і вважається альтернативою TiO2 завдяки відмінному переносу електронів. Дослідження за допомогою моделювання зосереджені на товщині, довжині дифузії носіїв та енергії забороненої зони шару поглинача, які впливають на фотоелектричні властивості пристроїв на сонячних елементах. Також досліджується вплив робочої температури. Згідно з результатами, використання ZnO як матеріалу для переносу електронів покращує ефективність сонячних елементів порівняно з TiO2. Завдяки нижній межі зони провідності, яка полегшує перенос фотогенерованих електронів у перовскітному сонячному елементі, найкраща ефективність, отримана від структури з використанням шару ZnO, становить 25,40 % при температурі навколишнього середовища. Результати моделювання показують, що товщина поглинача 500 нм підходить для досягнення високої ефективності пристроїв.

In the quest for a highly efficient and low-cost material for fourth-generation photovoltaic devices, organic-inorganic hybrid perovskite solar cells are gaining popularity as a new absorber. Currently, two types of solid-state perovskite device architecture are being researched. These are mesoporous and planar heterojunctions. Both structures are made up of five layers: transparent conductive oxide, electron transport material, perovskite active layer, hole transporting material, and back contact. In this work, the key characteristics of perovskite solar cells with zinc oxide (ZnO) and titanium dioxide (TiO2) as electron transport material are simulated using the one-dimensional Solar Cell Capacitance Simulator (SCAPS1D). TiO2 is the most commonly used material in perovskite solar cells, but its deposition requires high temperature, which limits the commercial processing of flexible devices. ZnO is widely used in the semiconductor industry and is considered an alternative to TiO2 due to its excellent electron transport. Simulation studies focus on the thickness, carrier diffusion length, and band gap energy of the absorber layer, which affect the photovoltaic properties of solar cell devices. The effect of working temperature is also examined. According to the findings, the use of ZnO as an electron transport material improves the cell efficiency compared to TiO2. Because of the lower edge of the conduction band, which facilitates the transport of photogenerated electrons in a perovskite solar cell, the best efficiency got from a structure using ZnO layer is 25.40 % at ambient temperature. The simulation results show that an absorber thickness of 500 nm is appropriate for achieving high efficiency.