Performance Study of Lead-Free Mixed Halide Cs2TiI6 – xBrx (where x = 1 to 5) Based Perovskite Solar Cell

Abstract

Дана науково-дослідна робота являє собою дослідження моделювання пристрою та імітації перовскітного активного шару на основі безсвинцевого змішаного галогеніду цезію-титану (IV) (Cs2TiI6 – xBrx, де x = 1 до 5). Товщина активного шару, робоча температура та густина дефектів оптимізовані для фотоелектричних характеристик за допомогою симулятора пристрою SCAPS-1D (Solar Cell Capacitance Simulator – 1 Dimension). Для дослідження використано обґрунтованість вибору відповідних фізичних та базових параметрів запропонованого сонячного елемента з архітектурою FTO/TiO2/Cs2TiI6 – xBrx/CuSCN/Ag. Досліджено оптимальні характеристики елементів пропонованого пристрою для різних товщин активного шару, температури пристрою та густини дефектів активних матеріалів. Чисельне дослідження з використанням SCAPS-1D показало оптимальну продуктивність приладу для товщин перовскітних матеріалів Cs2TiI1Br5, Cs2TiI2Br4, Cs2TiI3Br3, Cs2TiI4Br2 та Cs2TiI5Br1, відповідно рівних 1,0; 1,0; 0,4; 0,4 та 0,4 мкм. Оптимальну продуктивність приладу при температурах 10, 10, 20, 20 та 20 °C чисельно моделювали для перовскітних матеріалів Cs2TiI1Br5, Cs2TiI2Br4, Cs2TiI3Br3, Cs2TiI4Br2 та Cs2TiI5Br1 відповідно. Встановлено, що оптимізована густина дефектів для всіх семи перовскітних матеріалів становить 1010 см – 3. Пристрій має час відгуку 1,27 мкс для поглинаючих шарів Cs2TiI2Br4, Cs2TiI3Br3, Cs2TiI4Br2 і Cs2TiI5Br1 та 1,18 мкс для пристрою на основі поглинаючого шару Cs2TiI1Br5.

The present research work represents the study of device modelling and simulation of lead-free cesium titanium (IV) mixed halide (Cs2TiI6 – xBrx, where x = 1 to 5) based perovskite active layer. The active layer thickness, operating temperature and defect density are optimized for photovoltaic performance using SCAPS-1D (Solar Cell Capacitance Simulator – 1 Dimension) device simulator. The validity of the selection of appropriate physical and basic parameters for the proposed solar cell with cell architecture FTO/TiO2/Cs2TiI6 – xBrx/CuSCN/Ag was used for the study. The optimum cell performance of the proposed device was studied for different thicknesses of the active layer, device temperature and defect density of active materials. The numerical study using SCAPS-1D revealed optimum device performance for the thickness of perovskite materials Cs2TiI1Br5, Cs2TiI2Br4, Cs2TiI3Br3, Cs2TiI4Br2, Cs2TiI5Br1 at 1.0, 1.0, 0.4, 0.4, and 0.4 µm, respectively. The optimum device performance at temperatures of 10, 10, 20, 20, and 20 °C was numerically simulated for Cs2TiI1Br5, Cs2TiI2Br4, Cs2TiI3Br3, Cs2TiI4Br2, and Cs2TiI5Br1 perovskite materials, respectively. The optimized defect density for all seven perovskite materials was found to be at 1010 cm – 3. The device has time of response of 1.27 µs for Cs2TiI2Br4, Cs2TiI3Br3, Cs2TiI4Br2, and Cs2TiI5Br1 absorbing layers and 1.18 µs for the Cs2TiI1Br5 absorbing layer-based device.