Статья посвящена проблеме теоретического исследования и разработки солнечных элементов на основе перовскитов для оптимизации их конструкции и увеличения коэффициента полезного действия. В работе представлено численное моделирование переноса и накопления носителей заряда в планарной p-i-n гетероструктуре солнечного элемента. В основу моделирования положена стационарная физико-топологической модель, базирующаяся на диффузионно-дрейфовой системе уравнений полупроводника. Получены коэффициенты полезного действия солнечных элементов при различной толщине пленки перовскита. Установлено, что максимальный коэффициент полезного действия оптимизированной конструкции солнечного элемента составляет порядка 27 % при толщине пленки перовскита 500-700 нм и концентрации дефектов в ней порядка 1012 см-3.

Ключевые слова: Численное моделирование, солнечный элемент, перовскит, толщина пленки, концентрация дефектов, вольт-амперная характеристика

01.04.10 - Физика полупроводников , 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Проведено численное физико-топологическое моделирование для оптимизации толщины перовскитовых солнечных элементов на основе гетероструктуры TiO2/CH3CN3PbI3-xClx/Spiro-OMeTAD. Результаты проведенных исследований показали, что оптимальные значения толщин пленок TiO2 и CH3CN3PbI3-xClx гетероструктуры, позволяющие получить высокий коэффициент полезного действия солнечного элемента, лежат в относительно узких пределах. Проведенные исследования показали возможность эффективного использования численного физико-топологического моделирования для разработки перовскитовых солнечных элементов с учетом особенностей фотогенерации, рекомбинации и переноса носителей заряда в реальных гетероструктурах.

Ключевые слова: Солнечный элемент, перовскит, диоксид титана, гетероструктура, численное моделирование.

01.04.10 - Физика полупроводников , 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ , 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах

Проведены теоретические исследования распределения температуры при лазерном нагреве пленки прекурсора TiO2 на поверхности FTO/стеклянной подложки. Моделирование осуществлялось на основе численного решения уравнения теплопроводности в программе Matlab для определения плотности энергии лазерного излучения необходимой для кристаллизации TiO2. Показано, что на поверхности прекурсора TiO2 температура достигает максимального значения в момент времени 133 нс при Гауссовой временной форме лазерного импульса. Оптимальная плотность энергии для кристаллизации пленки прекурсора TiO2 при использовании наносекундной длительности импульса составляет 1,3-1,6 Дж/см2, когда температура по толщине пленки соответствует 400-500 °C. Полученные результаты моделирования согласуются с экспериментальными исследованиями.

Ключевые слова: численное моделирование, лазерный нагрев, распределение температуры, пленка TiO2, солнечный элемент

01.04.10 - Физика полупроводников , 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ , 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах

Нанокристаллические пленки TiO2 используются в качестве прозрачного слоя n-типа проводимости в перовскитовых солнечных элементах. В работе представлено численное диффузионно-дрейфовое моделирование процессов переноса и накопления носителей заряда в гетероструктуре TiO2 / перовскит / полупроводник p-типа. В основу моделирования положена стационарная физико-топологической модель, базирующаяся на диффузионно-дрейфовой системе уравнений полупроводника и позволяющая моделировать перовскитовые солнечные элементы с различными электрофизическими и конструктивно-технологическими параметрами. Получены фотоэлектрические характеристики данных солнечных элементов и построена зависимость коэффициента полезного действия от толщины пленки TiO2. Установлено, что оптимальная толщина пленки TiO2 составляет 50-100 нм, что способствует повышению коэффициента полезного действия перовскитовых солнечных элементов.

Ключевые слова: Cолнечный элемент, тонкая пленка, диоксид титана, p-i-n структура, численное моделирование

01.04.10 - Физика полупроводников , 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ , 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах

Разработана численная модель лазерного отжига пленки TiO2 на TCO (прозрачный проводящий оксид, SnO2:F) / стеклянной подложке излучением с длиной волны 1064 нм (Nd:YAG лазер) с целью её кристаллизации и использования в перовскитовых солнечных элементах. В процессе моделирования использовался численный метод конечных разностей для решения системы одномерных нестационарных дифференциальных уравнений теплопроводности. В результате моделирования процесса лазерного отжига получено распределение температуры в структуре TiO2 / TCO / стеклянная подложка от различной мощности лазерного излучения. Показано, что высокой мощности лазерного излучения (30-100 Вт) достаточно для эффективного перехода металлоорганического прекурсора TiO2 в кристаллическую фазу анатаза TiO2 (температура перехода составляет 400-600 °С) в течение короткого периода времени (60 сек.) за счёт прямого поглощения фотонов лазерного излучения.

Ключевые слова: Численное моделирование, лазерный отжиг, пленка TiO2, уравнение теплопроводности, солнечный элемент

01.04.07 - Физика конденсированного состояния , 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

В работе предложена математическая модель, позволяющая рассчитывать термомеханические
напряжения, возникающие в многослойных полупроводниковых структурах при лазерном воз-действии. Разработанное на основе модели программное обеспечение позволяет определить опти-мальные параметры лазерного воздействии с учетом физико-топологических параметров струк-туры. Модель разделена на две задачи: в первой решается нестационарное уравнение теплопро-водности, а во второй уравнения совместимости и обобщенный закон Гука из теории упругости. Для решения уравнений использовался метод конечных разностей.

Ключевые слова: Лазерные технологии, термоупругие напряжения, метод конечных разностей

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ , 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах

В статье представлена математическая модель теплового воздействия лазерного излучения на биологические структуры. В модели учтена анизотропия оптических и тепловых параметров биологических структур, учтены процессы охлаждения поверхности за счет конвекции и излучения. Разработано программное обеспечение на основе численных методов и полученной модели. Приводятся результаты моделирования воздействия двух типов лазеров эрбиевого (λ = 2,94 мкм) и СO2 (λ = 10,6 мкм) на биологическую структуру, состоящую из эмали и дентина.

Ключевые слова: лазерные биотехнологии, численное моделирование, температурное поле

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

В статье представлены результаты исследования влияния режимов работы  Nd:YAG  лазера, таких как скорость сканирования и мощность лазерного луча на максимальную темпераутру и термодеформированное состояние  в структуре сенсибилизированного красителем солнечного элемента. Получены зависимости компонент тензора напряжений при различных режимах работы при помощи численного эксперимента. Результаты исследований показали, что основной вклад в напряженно-деформированное состояние вносит градиент температуры, а не различие коэффициентов линейного расширения тела, которые в данной структуре отличаются незначительно. 

Ключевые слова: лазерные технологии, термонапряжение, численное моделирование

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Сведения об авторах выпуска №4 (2013)

Ключевые слова: авторы