Optoelectronic Modelling of Perovskite Solar Cells by means of Ray Tracing Techniques

Abstract

[cat] Els reptes ambientals que enfronta el món han posat de manifest la necessitat urgent d’una transició energètica. La fotovoltaica és una tecnologia clau en l’estratègia per reduir la dependència dels combustibles fòssils, i les cel·les solars ofereixen un mitjà eficaç per l’aprofitament de l’energia solar. En la recerca d’alternatives energètiques sostenibles, les perovskites d’halur metàl·lic s’han establit com un dels principals focus d’investigació fotovoltaica, amb el potencial de combinar una fabricació de baix cost amb una alta eficiència de conversió de potència (PCE). Els models numèrics s’han convertit en eines indispensables per a la comprensió i millora del rendiment dels dispositius fotovoltaics. Aquests models permeten realitzar estudis a fons del comportament optoelectrònic de les cel·les solars, aportant coneixements cabdals sobre la seva eficiència. A més, aquests models proporcionen un mètode econòmic per explorar diferents configuracions de disseny i materials. Són fonamentals per accelerar el desenvolupament i la comercialització de tecnologies fotovoltaiques emergents. Aquesta Tesi presenta un model optoelectrònic per a la simulació del comportament de les cel·les solars de perovskita (PSC). El model combina el traçat de rajos amb el mètode de la matriu de transferència per tenir en compte la interferència en el càlcul de la fotogeneració local G(z) dins el semiconductor, utilitzada a les equacions de transport per al càlcul de la característica J-V, que defineix objectivament l’eficiència del sistema. El model s’utilitza per analitzar l’absorbància i la PCE de les PSC en relació amb la gruixa de la perovskita, així com l’efecte dels mecanismes de captura de llum. També s’estudia la influència de diversos materials de transport de forats en la PCE i es proposa la gruixa òptima de la perovskita en cada cas. A més, es suggereix una estratègia de promig estadístic de dades experimentals per l’anàlisi del rendiment de PSC mesoestructurades, el qual permet optimitzar les propietats dels materials per obtenir la màxima eficiència.

[spa] Los retos medioambientales a los que se enfrenta el mundo han puesto de manifiesto la urgente necesidad de una transición energética. La tecnologia fotovoltaica es fundamental en la estrategia para reducir la dependencia de los combustibles fósiles, y las células solares constituyen un medio eficaz de aprovechar la energía solar. En la búsqueda de alternativas energéticas sostenibles, las perovskitas de haluro metálico se han convertido en uno de los principales focos de investigación fotovoltaica, con el potencial de combinar una fabricación de bajo coste con una alta eficiencia de conversión de potencia (PCE). Los modelos numéricos se han convertido en herramientas indispensables para comprender y mejorar el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos. Estos modelos permiten realizar estudios en profundidad del comportamiento optoelectrónico de las células solares, aportando conocimientos críticos sobre su eficiencia. Además, estos modelos proporcionan un método rentable para explorar diferentes configuraciones de diseño y materiales. Son fundamentales para acelerar el desarrollo y la comercialización de estas tecnologías emergentes. Esta Tesis presenta un modelo optoelectrónico para simular el comportamiento de las células solares de perovskita (PSC). El modelo combina el trazado de rayos con el método de la matriz de transferencia a fin de considerar la interferencia en el cálculo de la fotogeneración local G(z) en el semiconductor, utilizada en las ecuaciones de transporte y obtener la característica J-V, que definde objetivamente la eficiencia del sistema. El modelo se usa para analizar la absorbancia y la PCE de las PSC en función del espesor de la perovskita, y el efecto de los mecanismos de captura de luz. Asimismo, se estudia la influencia de varios materiales de transporte de huecos en la PCE, ofreciendo el espesor óptimo de la perovskita en cada caso. Además, se propone una estrategia de promediado estadístico de datos experimentales para analizar el rendimiento de PSCs mesoestructuradas, permitiendo optimizar las propiedades de los materiales para maximizar la eficiencia.

[eng] The well-established environmental challenges facing the world have underlined the urgent need for an energy transition. Photovoltaics stands as a critical technology in the strategy to reduce the reliance on fossil fuels, and solar cells provide an effective means of harnessing solar energy. In the search for sustainable energy alternatives, metal halide perovskites have emerged as a leading focus of photovoltaics research, with the potential to combine low-cost manufacturing with high power conversion efficiency (PCE). Numerical models have become indispensable tools for understanding and improving the performance of photovoltaic devices. These models enable to perform in-depth studies of the optoelectronic behaviour of solar cells, providing critical insights into their PCE. In addition, these models provide a cost-effective method for exploring different design configurations and materials. They are pivotal in accelerating the development and commercialization of emerging photovoltaic technologies. This Thesis presents an optoelectronic model to simulate the behaviour of perovskite solar cells (PSCs). The model combines ray tracing with the transfer-matrix method to account for interference in the local photogeneration rate G(z) within the semiconductor, used in transport equations to calculate J-V characteristics, which define objectively the system efficiency. The model is used to analyze the absorptance and the PCE of the PSCs concerning the perovskite thickness, and the effect of light-trapping mechanisms. The influence of various hole transport materials on the PCE is also studied, and an optimal absorber thickness is proposed for each. Furthermore, a strategy involving statistical averaging of experimental data is proposed for analysing meso-structured PSCs performance, offering insights for optimizing material properties for maximum efficiency.