Grant/Projek zakończony
Obliczenia numeryczne modelu dryfu-dyfuzji w symulacjach ogniw fotowoltaicznych metodą różnic skończonych
Identyfikator grantu: PT00612
Kierownik projektu: Damian Głowienka
Politechnika Gdańska
Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej
Gdańsk
Data otwarcia: 2017-08-22
Data zakończenia: 2022-02-21
Streszczenie projektu
Ogniwa słoneczne stanowią prężnie rozwijającą się dziedzinę pozyskiwania energii w ekologiczny sposób. Jednym z obiecujących typów ogniw, które pojawiły się w ostatnich latach są ogniwa zawierające materiał perowskitowy o strukturze CH3NH3PbX3, gdzie X oznacza halogenek. Takie ogniwa wykazują dużą efektywność konwersji energii, jednakże zachodzące w nich mechanizmy generacji, rekombinacji i transportu nośników ładunku są wciąż niezrozumiałe.
Modelowanie ogniw perowskitowych z wykorzystaniem elektrycznego modelu dryfu-dyfuzji pozwala na symulowanie zjawiska fotoprzewodnictwa i wyjaśnienie zjawisk elektrycznych zachodzących w materiale aktywnym. Model uwzględnia równania na rozkład potencjału i pola elektrycznego, jak i równania ciągłości dla przewodnictwa elektrycznego (elektrony i dziury), ekscytonowego oraz jonowego (aniony i kationy) w badanym materiale. Równania rozwiązuje się metodą różnic skończonych w czasie i przestrzeni. Symulacje przestrzenne i dynamiczne, pozwolą na dokładne zbadanie mechanizmów generacji i rekombinacji nośników ładunku, zaś uwzględnienie przewodnictwa jonowego, jak i stanów pułapkowych, powinno wyjaśnić zjawisko histerezy obserwowane w układach perowskitowych.
Obliczenia oparte są na własnym oprogramowaniu napisanym w języku C++, jednak wielkość siatki przestrzennej wiąże się z dużą ilością potrzebnej pamięci RAM. Długi czas ustalenia stanu równowagi wpływa na wydłużenie czasu obliczeń, który waha się od kilku godzin do nawet wielu tygodni symulacji. Korzystanie z komputerów o znacznie większej mocy obliczeniowej, pozwoli na skrócenie czasu obliczeniowego, a dzięki temu możliwe będzie wykonanie większej liczby analiz, co znacząco wpłynie na dokładność wykonywanych badań. Wyniki przeprowadzonych symulacji zostaną przedstawione w pracy doktorskiej osoby wnioskującej.
Modelowanie ogniw perowskitowych z wykorzystaniem elektrycznego modelu dryfu-dyfuzji pozwala na symulowanie zjawiska fotoprzewodnictwa i wyjaśnienie zjawisk elektrycznych zachodzących w materiale aktywnym. Model uwzględnia równania na rozkład potencjału i pola elektrycznego, jak i równania ciągłości dla przewodnictwa elektrycznego (elektrony i dziury), ekscytonowego oraz jonowego (aniony i kationy) w badanym materiale. Równania rozwiązuje się metodą różnic skończonych w czasie i przestrzeni. Symulacje przestrzenne i dynamiczne, pozwolą na dokładne zbadanie mechanizmów generacji i rekombinacji nośników ładunku, zaś uwzględnienie przewodnictwa jonowego, jak i stanów pułapkowych, powinno wyjaśnić zjawisko histerezy obserwowane w układach perowskitowych.
Obliczenia oparte są na własnym oprogramowaniu napisanym w języku C++, jednak wielkość siatki przestrzennej wiąże się z dużą ilością potrzebnej pamięci RAM. Długi czas ustalenia stanu równowagi wpływa na wydłużenie czasu obliczeń, który waha się od kilku godzin do nawet wielu tygodni symulacji. Korzystanie z komputerów o znacznie większej mocy obliczeniowej, pozwoli na skrócenie czasu obliczeniowego, a dzięki temu możliwe będzie wykonanie większej liczby analiz, co znacząco wpłynie na dokładność wykonywanych badań. Wyniki przeprowadzonych symulacji zostaną przedstawione w pracy doktorskiej osoby wnioskującej.
Publikacje
- Damian Głowienka, Jędrzej Szmytkowski, Influence of excitons interaction with charge carriers on photovoltaic parameters in organic solar cells, Elsevier - Chemical Physics 503, (2018) 31-38
- Damian Głowienka, Jędrzej Szmytkowski, Numerical modeling of exciton impact in two crystalographic phases of the organo-lead halide perovskite (CH3NH3PbI3) solar cell, IOP - Semiconductor Science and Technology 1, (2019) 1-23
- D. Głowienka, D. Zhang, F. Di Giacomo, M. Najafi, S. Veenstra, J. Szmytkowski, Y. Galagan, Role of surface recombination in perovskite solar cells at the interface of HTL/CH3NH3PbI3, Nano Energy / Elsevier 67, (2020) 104186
- Damian Głowienka, Dong Zhang, Francesco Di Giacomo, Mehrdad Najafi, Sjoerd Veenstra, Jędrzej Szmytkowski, Yulia Galagan, Role of surface recombination in perovskite solar cells at the interface of HTL/CH3NH3PbI3, Nano Energy / Elsevier 67, (2020) 104186
- Damian Głowienka, Francesco Di Giacomo, Mehrdad Najafi, Ilker Dogan, Alfredo Mameli, Fallon J. M. Colberts, Jędrzej Szmytkowski, and Yulia Galagan, Effect of Different Bromine Sources on the Dual Cation Mixed Halide Perovskite Solar Cells, ACS Appl. Energy Mater. 3, (2020) 8285-8294
- Pei-Huan Lee, Ting-Tzu Wu, Chia-Feng Li, Damian Głowienka, Yi-Hsuan Sun, Yi-Ting Lin, Hung-Wei Yen, Cheng-Gang Huang, Yulia Galagan, Yu-Ching Huang and Wei-Fang Su, Highly Crystalline Colloidal Nickel Oxide Hole Transport Layer for Low Temperature Processable Perovskite Solar Cell, Chemical Engineering Journal 1, (2021) 1
- M. Prete, M. V. Khenkin, D. Glowienka, B. R. Patil, J. S. Lissau, I. Dogan, J. L. Hansen, T. Leißner, J. Fiutowski, H.-G. Rubahn, B. Julsgaard Balling, V. Turkovic, Y. Galagan, E. A. Katz and M. Madsen, BIAS-DEPENDENT DYNAMICS OF DEGRADATION AND RECOVERY IN PEROVSKITE SOLAR CELLS, ACS Applied Materials & Interfaces 1, (2021) 1
- Pei-Huan Lee, Ting-Tzu Wu, Chia-Feng Li, Damian Głowienka, Yi-Hsuan Sun, Yi-Ting Lin, Hung-Wei Yen, Cheng-Gang Huang, Yulia Galagan, Yu-Ching Huang and Wei-Fang Su, Highly crystalline colloidal nickel oxide hole transport layer for low-temperature processable perovskite solar cell, Chemical Engineering Journal 412, (2021) 128746
- M. Prete, M. V. Khenkin, D. Głowienka, B. R. Patil, J. S. Lissau, I. Dogan, J. L. Hansen, T. Leißner, J. Fiutowski, H.-G. Rubahn, B. Julsgaard, P. Balling, V. Turkovic, Y. Galagan, E. A. Katz, M. Madsen, Bias-Dependent Dynamics of Degradation and Recovery in Perovskite Solar Cells, ACS Appl. Energy Mater. 4, 7, (2021) 6562–6573
- Jȩdrzej Szmytkowski, Damian Glowienka, Manon Verger, Harrie Gorter, Ilker Dogan, Wiljan Verhees, Mehrdad Najafi, Sjoerd Veenstra, Yulia Galagan, Additive effect of bromides and chlorides on the performance of perovskite solar cells fabricated via sequential deposition, Journal of Power Sources 513, (2021) 230528
- Damian Glowienka, Yulia Galagan, Light intensity analysis of photovoltaic parameters for perovskite solar cells, Advanced Materials 34, 2, (2022) 2105920
- Pei-Huan Lee, Ting-Tzu Wu, Chia-Feng Li, Damian Glowienka, Yu-Xuan Huang, Shih-Han Huang, Yu-Ching Huang, Wei-Fang Su, Featuring Semitransparent p–i–n Perovskite Solar Cells for High‐Efficiency Four‐Terminal/Silicon Tandem Solar Cell, Solar RRL 1, (2022) 1