Numerical simulation of solar cells based on p-NiO/ CH3NH3BI3 (B=Sn and Pb) /n-ZnO/TiO2 systems using SCAPS-1D

Abstract

This work includes the simulation and optimization of a photovoltaic solar cell based on perovskite hybrid material CH3NH3SnI3, CH3NH3PbI3 using the one-dimensional simulation tool SCAPS-1D. I simulated a solar cell using the following structure in SCAPS-1D NiO as the p-type hole transport layer (HTL)/ CH₃NH₃SnI₃ (MASnI₃) or CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) as the perovskite absorber layer /ZnO as the n-type electron transport layer (ETL), and an additional TiO₂ layer used as a buffer or additional ETL layer to improve charge collection or reduce recombination. I compared different perovskite materials (Sn-based vs. Pb-based) The objective of the Simulation is to analyze and optimize the performance of a perovskite solar cell structure by evaluating the influence of temperature on key photovoltaic parameters (Voc, Jsc, FF, η), studying how the absorber layer (perovskite) thickness affects light absorption, charge transport, and recombination, identifying the optimal conditions for achieving the highest possible power conversion efficiency (PCE), comparing Sn-based perovskite (CH₃NH₃SnI₃) with traditional Pb-based perovskite to promote non-toxic, lead-free alternatives in green solar technology. The results obtained show that the layer thicknesses which provide better electrical performances are 1 μm both materials CH₃NH₃SnI₃ and CH₃NH₃PbI₃, and the ideal temperature is 290 kelvin for CH3NH3SnI3, 300 for and CH₃NH₃PbI₃. The best results obtained are: 𝑉oc = 1.3119 𝑉, Jsc = 34.76 mA/cm2, FF= 84.45% and η=38.73% ==================================================================================================== Ce travail comprend la simulation et l'optimisation d'une cellule solaire photovoltaïque basée sur le matériau hybride pérovskite CH3NH3SnI3, CH3NH3PbI3 en utilisant l'outil de simulation unidimensionnel SCAPS-1D. J'ai simulé une cellule solaire utilisant la structure suivante dans SCAPS-1D NiO comme couche de transport de trous de type p (HTL)/ CH₃NH₃SnI₃ (MASnI₃) ou CH₃NH₃PbI₃ (MAPbI₃) comme couche absorbante de pérovskite /ZnO comme couche de transport d'électrons de type n (ETL), et une couche supplémentaire de TiO₂ utilisée comme tampon ou couche ETL supplémentaire pour améliorer la collecte des charges ou réduire la recombinaison. J'ai comparé différents matériaux pérovskites (à base de Sn vs. à base de Pb). L'objectif de la simulation est d'analyser et d'optimiser les performances d'une structure de cellule solaire pérovskite en évaluant l'influence de la température sur les paramètres photovoltaïques clés (Voc, Jsc, FF, η), en étudiant comment l'épaisseur de la couche absorbante (pérovskite) affecte l'absorption de la lumière, l'absorption de la lumière, le transport des charges et la recombinaison, en identifiant les conditions optimales pour atteindre le rendement de conversion de puissance (PCE) le plus élevé possible, en comparant la pérovskite à base de Sn (CH₃NH₃SnI₃) à la pérovskite traditionnelle à base de Pb afin de promouvoir des alternatives non toxiques et sans plomb dans les technologies solaires vertes. Les résultats obtenus montrent que les épaisseurs de couche qui offrent de meilleures performances électriques sont de 1 μm pour les deux matériaux CH₃NH₃SnI₃ et CH₃NH₃PbI₃, et que la température idéale est de 290 kelvins pour CH3NH3SnI3, de 300 pour CH₃NH₃PbI₃. Les meilleurs résultats obtenus sont : 𝑉oc = 1.3119 𝑉, Jsc = 34.76 mA/cm2, FF= 84.45% and η=38.73%.