Расчет основных физических величин СКСЭ на основе рутениевого красителя

В данной работе использована методика расчета для получения вольтамперных характеристик СКСЭ на основе рутениевого красителя. Однако методика может быть применена к СКСЭ на основе любого другого красителя. Коэффициент поглощения рутениевого красителя в диапазоне от Л 1 = 300 нм до Л 2 = 800 нм и другие параметры и константы взяты из источников [1,4,8, 9] и представлены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры и константы, использованные в модели

На рисунке 1 представлена вольтамперная характеристика, полученная в зависимости от времени жизни электрона т при толщине d =20 нм и 5 = 0.9.

1 - т = 2 мс; 2 - т = 10 мс; 3 - т = 20 мс; 4 - т = 50 мс

Рисунок 1. Вольтамперная характеристика СКСЭ (5 = 0.9) в зависимости от времени жизни электрона

Таблица 2. Значения /_sc, V_oc, FF и ]

Из таблицы 2 видно, что при увеличении 5, растет плотность тока короткого замыкания, а вместе с ним и энергоэффективность СКСЭ, тогда как напряжение холостого хода и фактор заполнения остаются практически неизменными.

На рисунках 2а и 2б изображены зависимости J_sc(d') и 'q(d)[2,3]. Видно, что толщина данного слоя является важнейшим технологическим параметром, определяющим плотность тока короткого замыкания и энергоэффективность СКСЭ. Плотность тока короткого замыкания и энергоэффективность СКСЭ достигают максимальных значений в интервале от d =15 нм до d =20 нм [8,11]. Дальнейшее увеличение толщины приводит к уменьшению значений J_sc и эффективности СКСЭ. Также следует отметить, что толщина слоя TiO 2 практически не влияет на напряжение холостого хода и фактор заполнения.

Рисунок 2а, 2б. График зависимости плотности тока от толщины и коэффициента энергоэффективности от толщины

Кривые, изображенные на рисунках 3 (а) и 3 (б), отвечают значениям плотности тока короткого замыкания и энергоэффективности СКСЭ соответственно в зависимости от времени жизни электрона.

Рисунок 3а, 3б. График зависимости плотности тока от толщины и коэффициента энергоэффективности от т

Полученные величины J_sc, V_oc, FF и ] согласуются с уже описанными ранее в литературе значениями для данного типа СКСЭ [5, 6, 7, 10, 12]. Следовательно, предложенная методика расчета является рабочей и гибкой, поэтому она может быть использована для проектирования и оптимизации СКСЭ.

Предложенная в данной статье методика расчета, позволяющая оптимизировать параметры любого типа СКСЭ, состоит из упрощенной физической модели и численного метода, допускающего решение системы дифференциальных уравнений, полученных из этой модели.

Применение данной методики позволило определить вольтамперные характеристики СКСЭ на основе рутения и рассчитать Jsc, Voc, FF и ]. Полученные результаты согласуются с описанными в литературе значениями. Также проанализировано влияние материала полупроводника и красителя и различных технологических параметров на производительность СКСЭ. Продемонстрировано, что оптимальная толщина слоя диоксида титана d = 15 нм, при этом дальнейшее увеличение приводит к незначительному уменьшению производительности СКСЭ. Показано также влияние времени жизни электрона. Значения свыше 40-50 мс не приводят к увеличению производительности СКСЭ.

Таким образом, предложенная в данной статье методика расчета позволяет проводить комплексный анализ производительности СКСЭ и допускает дальнейшее развитие численных методов для проектирования и оптимизации любых типов СКСЭ.