Numerical Analysis of Performance of Various ETL Materials for Cesium Titanium (IV) Single Halide Based PSCs

Abstract

Безсвинцеві перовскітні сонячні елементи (PSCs) є серйозним конкурентом тонкоплівкової фотоелектричної (PV) технології, оскільки вони вирішують дві основні проблеми: токсичність та стабільність. PSCs на основі Ti є необхідними у високопродуктивних PV пристроях. Зовнішня квантова ефективність (EQE), або класична ефективність, часто використовується для вимірювання оптичних характеристик пристрою на сонячних елементах. Робота спрямована на оптимізацію ETL/HTL та інших інтерфейсів для отримання найбільш ефективного PSC Cs2TiI6 – xBrx, а вдосконалення Jsc збільшить рекомбінацію Шоклі-Рід-Холла (SRH). У таких обставинах вибір та оптимізація матеріалів транспортних шарів електронів (ETLs) і дірок (HTLs) є основним фактором, який необхідно ефективно розглядати для досягнення оптимальної PV продуктивності. Серед усіх ETLs, TiO2 є найбільш підходящим ETL для запропонованих нами n-i-p структурованих PSCs на основі FTO/ETLs/Cs2TiX6/HTL/Ag. Оптимальна товщина ETL повинна бути 150-200 нм, а HTL – 10-20 нм, з наступними оптимізованими PV характеристиками: Voc = 1.23 В, Jsc = 19.378 мА/см2, PCE = 14.537 % (Cs2TiBr6); Voc = 1.09 В, Jsc = 23.213 мА/см2, PCE = 17.452 % (Cs2TiI6); Voc = 1.53 В, Jsc = 16.822 мА/см2, PCE = 12.578 % (Cs2TiF6) and Voc = 8.53 В, Jsc = 10.079 мА/см2, PCE = 7.348 % (Cs2TiCl6). Таким чином, детальне вивчення цього класу матеріалів, які містять галогенідний перовскіт, є потребою часу.

Lead-free perovskite solar cells (PSCs) appear to be a great contender of thin film based photovoltaic (PV) technology as they solve two prime issues, toxicity and stability. Ti-based PSCs can be imperative in a high-performance PV device. The external quantum efficiency (EQE) or classical efficiency is often used to measure the optical performance of the solar cell device. This work has a scope in optimizing ETL/HTL and other interfaces to obtain the most efficient Cs2TiI6 – xBrx PSC, and enhancement in Jsc will increase the Shockley-Read-Hall (SRH) recombination. In such circumstances, selection and optimization of electron transport layers (ETLs) and hole transport layers (HTLs) materials are the major factor to be considered effectively to achieve optimum PV performance. Among all ETLs, TiO2 is found to be the most suitable ETL for our proposed FTO/ETLs/Cs2TiX6/HTL/Ag based n-i-p structured PSCs. The optimum thickness of ETL should be 150-200 nm and of HTL – 10-20 nm, with the following optimized PV performance: Voc = 1.23 V, Jsc = 19.378 mA/cm2, PCE = 14.537 % (Cs2TiBr6); Voc = 1.09 V, Jsc = 23.213 mA/cm2, PCE = 17.452 % (Cs2TiI6); Voc = 1.53 V, Jsc = 16.822 mA/cm2, PCE = 12.578 % (Cs2TiF6) and Voc = 8.53 V, Jsc = 10.079 mA/cm2, PCE = 7.348 % (Cs2TiCl6). Thus, a detailed study of this class of materials containing halide perovskite is need of the hour.