Optimisation des Performances d’une Cellule Solaire en Pérovskite de type « CsSnI3 » pour des Applications environnementales // Optimizing the Performance of a « CsSnI3 » Perovskite Solar Cell For Environmental Applications

Abstract

تُشكّل الخلايا الشمسية البيروفسكايت التقليدية((PSCS التي تعتمد على ممتصات سامة قائمة على الرصاص مخاطر بيئية وصحية، مما يحدّ من اعتمادها المستدام. تتناول هذه الدراسة هذا التحدي الحاسم من خلال التحقيق الحسابي في بيروفسكايت CsSnI3القائم على القصدير، الصديق للبيئة والخالي من الرصاص، عبر محاكاة SCAPS-1D. حددت نتائج المحاكاة، التي أجريت في ظل ظروف الإضاءة القياسية (1000 واط م-2) عند 300 كلفن، سمك طبقة امتصاص CsSnI3الأمثل عند 300 نانومتر، والذي يتوافق مع كثافة عيوب تتراوح بين 1012 سم−3 و1014 سم−3. هذا التكوين الأمثل لا يعزز أداء الجهاز فحسب، بل يقلل أيضًا من السمية البيئية طويلة المدى المرتبطة بالقصدير. من خلال تحليل مفصل للمقاومات الطفيلية، تم العثور على مقاومة التحويلة المثلى (Rshunt) لتكون 106 أوم. سم2، مع مقاومة متسلسلة (RSeries) تقترب من الصفر. في ظل هذه الظروف، حقق الجهاز عامل ملء (FF) بنسبة 71.99%، وكفاءة تحويل الطاقة (η) بنسبة 19.47%، وكثافة تيار الدائرة القصيرة (JSC) بمقدار 31.092 مللي أمبير سم−2، وجهد الدائرة المفتوحة (VOC) بمقدار 0.87 فولت. بعد تحسين كثافة المنشطات، تم تعزيز الأداء بشكل أكبر، مما أدى إلى 0.99 = VOCفولت، و32.56 = JSCمللي أمبير سم−2، و FF = 71.64%، و η = 23.14%. تتوافق هذه النتائج بشكل وثيق مع النتائج التجريبية التي أبلغت عنها NREL في عام 2024. يوضح هذا العمل تطورات كبيرة في تطوير خلايا شمسية CsSnI3عالية الكفاءة، صديقة للبيئة، وخالية من الرصاص، مما يوفر رؤى قيمة للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية

Les cellules solaires à pérovskiteconventionnelles)PSCs), qui dépendentd'absorbeurstoxiques à base de plomb, présentent des risquesenvironnementaux et sanitaires, limitantleur adoption durable.Cetteétudeabordecedéfi critique enmenantune investigation computationnelle sur les pérovskites(CsSnI3)à base d'étain, écologiques et sans plomb, via des simulations SCAPS-1D. Les résultats de la simulation, menéedans des conditions d'éclairement standard (1000 W m−2) à 300K, ontidentifiéuneépaisseuroptimale de la couched'absorption de CsSnI3de 300nm, ce qui correspond à unedensité de défauts comprise entre 1012 cm−3 et 1014 cm−3. Cette configuration optimale non seulementaméliore les performances du dispositif, maisréduitégalement la toxicitéenvironnementale à long termeassociée à l'étain. Grâce à uneanalysedétaillée des résistances parasites, la résistance de shunt optimaleRShunta ététrouvée à 106 Ω.cm2, avec une résistance sérieRSeriesapprochantzéro. Dansces conditions, le dispositif a atteint un facteur de remplissage(FF) de 71.99%, uneefficacité de conversion de puissance (η) de 19.47%, unedensité de courant de court-circuit (JSC) de31.092mAcm-2, et une tension de circuit ouvert (VOC) de 0.87V. Après optimisation de la densité de dopage, les performances ontété encore améliorées, conduisant à VOC = 0.99 V, JSC= 32.56mA.cm-2, FF = 71.64%, et η = 23.14%. Cesrésultatsconcordentétroitement avec les découvertesexpérimentalesrapportées par le NREL en 2024. Ce travail démontre des avancéessignificativesdans le développement de cellules solairesCsSnI3hautementefficaces, écologiques et sans plomb, fournissant des informationsprécieuses pour la recherche future et les applications pratiques

Conventional perovskite solar cells (PSCs), which rely on toxic lead-based absorbers, pose environmental and health risks, limiting their sustainable adoption. This study addresses this critical challenge by conducting a computational investigation on ecological and lead-free tin-based perovskites (CsSnI3) via SCAPS-1D simulations. The simulation results, conducted under standard illumination conditions (1000 W m 2) at 300K, identified an optimal CsSnI3 absorption layer thickness of 300 nm, which corresponds to a defect density between 1012 cm -3 and 1014 cm -3. This optimal configuration not only improves the performance of the device, but also reduces the long-term environmental toxicity associated with tin. Thanks to a detailed analysis of stray resistances, the optimal shunt resistance RShuntwas found at 106 Ω.cm2, with a series resistance RSeriesapproaching zero. Under these conditions, the device achieved a fill factor (FF) of 71.99%, a power conversion efficiency (η) of 19.47%, a short-circuit current density (JSC) of 31.092mA cm-2, and an open circuit voltage (VOC) of 0.87V. After doping density optimization, performance was further improved, leading to VOC = 0.99 V, JSC= 32.56 mA.cm-2, FF = 71.64%, and η = 23.14%. These results are closely aligned with the experimental findings reported by NREL in 2024. This work demonstrates significant advances in the development of highly efficient, environmentally friendly and lead-free CsSnI3 solar cells, providing valuable information for future research and practical applications