MXene/perovskite güneş pillerinde sürüklenme difüzyon modellemesi

Hibrit organik-inorganik metal halide perovskite güneş pilleri (PGP), son on seneyi baz aldığımızda ilgi çekici performans düzeltmeleri gördü. PGP’lerin verimlilikleri, %3,8’den yaklaşık %25,7’ye kadar yükselmiştir. Diğer fotovoltaik malzeme sistemlerinden çok daha ekonomik üretim maliyetiyle PGP’ler, geleneksel Si-CdTe güneş pilleri ile rekabet edebilir hale gelmeye başlamıştır. Benzersiz ABX3 tek değerli organik veya inorganik katyon (A), iki değerli katyon (B) ve tek değerli anyon (X) dan meydana gelen perovskite kristal yapısı, PGP’lerin sıradışı verimliliğinin kaynağıdır. Bu yapı, üst düzey yük taşıyıcı sürüklenme hareketliliği, düşük eksiton bağlama enerjisi, daha fazla difüzyon uzunluğu ve verimli yük toplama imkanı sağlar¹.

Perovskite malzemelerin, özellikle ışınımsal olmayan bileşeninin eksiltilmiş toplu rekombinasyon oranları, PGP veriminin teorik azami değerine erişme potansiyelini yükseltebilir. Yavaş rekombinasyon hızı ve kuvvetli yük taşıyıcı hareketlilik nitelikleriyle, Cs katyonu ve halojenür Br anyon karışımlı metal halojen perovskite (Cs_0,1FA_0,9PBI_2,55Br_0,45) absorbe edici katman, kendilerini öteki ekipmanlardan ayırmış ve son zamanlarda daha kararlı cihaz verimi sunmuştur². Ayrıca, artık ince film güneş pili uygulamalarında güç dönüştürme performans değerleri silikona benzer olduğu için yapılan araştırmalarda uzun kararlılık sürelerini ve performanslarını kısıtlayan problemlere çare aranmaya başlanılmıştır. PGP’lerdeki bu önemli problemlere esas olarak deliklerin (+) zenginliği, hatalar ve perovskit emici katman, elektron ve delik taşıma katmanları beraber olmasıyla birlikte bütün arayüzey katmanlarının değişen bant hizalaması sebep olur³. Farklı katmanların yük aktarımı ve yüzey morfolojisi çalışılarak arayüz uyumluluğu iyileştirilebilir ve daha fazla performans sunabilir.

2D ekipmanlar, PGP’lerde soğurma ve elektron/delik iletme tabakasında zaman ilerledikçe daha çok kullanılmaktadır. Eşsiz optoelektronik nitelikleri, kuvvetli iletkenliği, yüksek taşıyıcı yoğunluğu ve taşıyıcı hareketliliği sebebiyle,MXene benzeri 2D materyaller daha fazla çalışılmalıdır⁴. Ayrıca farklı PGP tabakalarına güzel bir katkı maddesi olduğu ispatlanmıştır. MXene için yaygın formül M_n+1X_nT_x (n=1,2,3)’dir, M erken geçiş metalini, X karbon veya nitrojeni ve T_x yüzey ekini (örneğin OH, O VE F) göstermektedir⁵. MXene’ler C ve N atomlarının her ikisinin de bulunması veya ikisinden birinin bulunmasına bağlı olarak karbür, nitrür ve karbonitrürler olarak üç gruba ayrılırlar. Bu gruplardan karbürler, özellikle Ti₃C₂ etkileyici elektriksel ve optik nitelikleri sebebiyle optoelektronik cihazlar bakımından güzel bir seçimdir. PGP’lere MXene’nin eklenmesi, ara yüzeyde deliklerin toplanmasını artırmaya yardımcı olur, böylece rekombinasyon oranını azaltır ve hücre verimliliğini artırır.

Son zamanlarda, yüzey rekombinasyonunu düşürerek PGP’lerin verimini arttımak amacıyla birçok çalışma yapıldı. Cihaz nitelikleri ve hücre verimi arasındaki bağı anlayabilmek için cihazların simülasyonları büyük önem taşımaktadır. Bu yüzden, PGP’lerin performansını değiştiren birçok etkeni anlamak amacıyla cihaz parametrelerinin modellenmesine özellikle odaklanılmalıdır. Absorbe film kalınlığı, çalışma ısısı, kuantum verimi ve seri direnç benzeri çeşitli cihaz nitelikleri, aktif tabaka katkı maddesi ve PGP uygulamasının optimizasyonu için elverişli bir simülatör olan SCAPS 1D uygun gerçekçi çözümler sunmaktadır.

Kaynaklar

1. Marimuthu, S., Shriswaroop, S., Muthumareeswaran, M., Pandiaraj, S., Alodhayb, A. N., Alrebdi, T. A., & Grace, A. N. (2023). Drift diffusion modelling of cell parameters effect on the performance of perovskite solar cells with MXene as additives. Solar Energy, 262, 111804.
2. Groeneveld, B. G., Adjokatse, S., Nazarenko, O., Fang, H. H., Blake, G. R., Portale, G., … & Loi, M. A. (2020). Stable cesium formamidinium lead halide perovskites: a comparison of photophysics and phase purity in thin films and single crystals. Energy Technology, 8(4), 1901041.
3. Qamar, S., Fatima, K., Ullah, N., Akhter, Z., Wasim, A., & Sultan, M. S. (2022). Recent progress in use of MXene in perovskite solar cells: For interfacial modification, work-function tuning and additive engineering. Nanoscale.
4. Saeed, M. A., Shahzad, A., Rasool, K., Mateen, F., Oh, J. M., & Shim, J. W. (2022). 2D MXene: a potential candidate for photovoltaic cells? A critical review. Advanced Science, 9(10), 2104743.
5. Naguib, M., Barsoum, M. W., & Gogotsi, Y. (2021). Ten Years of Progress in the Synthesis and Development of MXenes (Adv. Mater. 39/2021). Advanced Materials, 33(39), 2170303.