• Energy Research

Abstract In this effort, 10 μm thick rear contact (RC) silicon–germanium (SiGe) based solar cell device has been discussed with SiC (20 nm)-based front surface passivation for the suppression of interface recombination as well as improvement of short circuit current density ( J SC ) and open-circuit voltage ( V OC ). The design principles presented here balance the electronic and photonic effects together and is a significant step to design highly efficient thin solar cells. Photo reflectance is significantly reduced in the UV/visible spectral region due to the presence of SiC. This results in external quantum efficiency (EQE) >90% in the spectrum range of 400–650 nm wavelength. Also, at wavelengths equivalent to 300 nm, SiC passivated device shows record EQE of 85%. The presence of SiC as a surface passivating layer shows enhanced surface characteristics in terms of reduced surface recombination and higher photon absorption rate. This results in 15.4% power conversion efficiency (PCE) under standard air mass 1.5 illuminations. Further, the proposed device has also been analyzed for concentrator photovoltaics (CPV) applications, resulting in 18.4% and 19.3% efficiencies at 1 W/cm 2 (10 suns, 27 °C) and 2 W/cm 2 (20 suns, 27 °C) respectively. Till date, the proposed design proves to be highly efficient in the sub 10 μm regime. All the simulations have been done using DEVEDIT and ATLAS device simulator

AbstractThis work mainly focuses on synthesizing and evaluating the efficiency of methylammonium lead halide‐based perovskite (MAPbX3; X=Cl, Br, I) solar cells. We used the colloidal Hot‐injection method (HIM) to synthesize MAPbX3 (X=Cl, Br, I) perovskites using the specific precursors and organic solvents under ambient conditions. We studied the structural, morphological and optical properties of MAPbX3 perovskites using XRD, FESEM, TEM, UV‐Vis, PL and TRPL (time‐resolved photoluminescence) characterization techniques. The particle size and morphology of these perovskites vary with respect to the halide variation. The MAPbI3 perovskite possesses a low band gap and low carrier lifetime but delivers the highest PCE among other halide perovskite samples, making it a promising candidate for solar cell technology. To further enrich the investigations, the conversion efficiency of the MAPbX3 perovskites has been evaluated through extensive device simulations. Here, the optical constants, band gap energy and carrier lifetime of MAPbX3 were used for simulating three different perovskite solar cells, namely I, Cl or Br halide‐based perovskite solar cells. MAPbI3, MAPbBr3 and MAPbCl3 absorber layer‐based devices showed ~13.7 %, 6.9 % and 5.0 % conversion efficiency. The correlation between the experimental and SCAPS simulation data for HIM‐synthesized MAPBX3‐based perovskites has been reported for the first time.

Résumé Dans le contexte des priorités environnementales actuelles, où la toxicité et la stabilité entravent les progrès des cellules solaires à pérovskite (PSC) à base de plomb, l'émergence d'alternatives sans plomb comme les pérovskites Cs 2 AgBiBr 6 a pris de l'importance. Cette étude s'articule autour de l'évaluation complète du Cs 2 AgBiBr 6 en tant que matériau photovoltaïque potentiel (PV), en utilisant des calculs de théorie fonctionnelle de la densité (DFT) avec CASTEP. Révélant une bande interdite vitale de 1,654 eV et soulignant les contributions des orbitales Ag‐4 d et Br‐4 p, cette analyse souligne également la domination des atomes d'Ag dans la distribution des charges. Optiquement, Cs 2 AgBiBr 6 présente des pics d'absorption UV autour de 15 eV, s'intensifiant avec une énergie photonique allant jusqu'à 3,75 eV, faisant allusion à sa promesse pour les applications solaires. Guidé par DFT, quarante configurations impliquant diverses couches de transport d'électrons (ETL) et couches de transport de trous (HTL) sont explorées. Parmi ceux-ci, les CNT émergent comme le HTL principal en raison de l'alignement idéal de l'absorbeur. L'architecture Spotlight, FTO/AZnO/Cs 2 AgBiBr 6 /CNTS/Au, bénéficie d'une efficacité exceptionnelle (23,5 %), V oc (1,38 V), J sc (21,38 mA cm −2 ) et FF (79,9 %). En revanche, FTO/CdZnS/Cs 2 AgBiBr 6 /CNTS/Au atteint une efficacité légèrement inférieure de 23,15 %. Les subtilités du monde réel sont sondées, englobant les résistances, la température, les traits courant-tension ( J – V ) et l'efficacité quantique (QE), améliorant la pertinence pratique. Ces résultats sont soigneusement contextualisés dans la littérature antérieure, mettant en évidence les contributions de l'étude à la technologie solaire à pérovskite inorganique nontoxique. Ce travail aspire à orienter positivement l'avancement durable du photovoltaïque. Resumen En el contexto de las prioridades ambientales actuales, donde la toxicidad y la estabilidad obstaculizan el progreso de las células solares de perovskita (PSC) basadas en plomo, la aparición de alternativas sin plomo como las perovskitas Cs 2 AgBiBr 6 ha ganado importancia. Este estudio gira en torno a la evaluación integral de Cs 2 AgBiBr 6 como material fotovoltaico (PV) potencial, utilizando cálculos de la teoría funcional de densidad (DFT) con CASTEP. Revelando una brecha de banda vital de 1.654 eV y enfatizando las contribuciones de los orbitales Ag-4d y Br-4p, este análisis también subraya el dominio de los átomos de Ag en la distribución de carga. Ópticamente, Cs 2 AgBiBr 6 exhibe picos de absorción UV de alrededor de 15 eV, intensificándose con energía de fotones de hasta 3,75 eV, insinuando su promesa para aplicaciones solares. Guiados por DFT, se exploran cuarenta configuraciones que involucran varias capas de transporte de electrones (ETL) y capas de transporte de huecos (Htl). Entre estos, LOS CNT surgen como el Htl principal debido a la alineación ideal del absorbedor. La arquitectura del foco, FTO/AZnO/Cs 2 AgBiBr 6 /CNTS/Au, cuenta con una eficiencia excepcional (23.5%), V oc (1.38 V), J sc (21.38 mA cm −2 ) y FF (79.9%). Por el contrario, FTO/CdZnS/Cs 2 AgBiBr 6 /CNTS/Au logra una eficiencia ligeramente inferior al 23,15%. Se exploran las complejidades del mundo real, que abarcan las resistencias, la temperatura, los rasgos de corriente-voltaje ( J – V ) y la eficiencia cuántica (QE), lo que mejora la relevancia práctica. Estos hallazgos se contextualizan cuidadosamente dentro de la literatura anterior, mostrando las contribuciones del estudio a la tecnología solar de perovskita inorgánica no tóxica. Este trabajo aspira a dirigir positivamente el avance fotovoltaico sostenible. Abstract In the backdrop of today's environmental priorities, where toxicity and stability hinder lead‐based perovskite solar cell (PSC) progress, the emergence of lead‐free alternatives like Cs 2 AgBiBr 6 perovskites has gained significance. This study revolves around the comprehensive evaluation of Cs 2 AgBiBr 6 as a potential photovoltaic (PV) material, using density functional theory (DFT) calculations with CASTEP. Revealing a vital bandgap of 1.654 eV and emphasizing the contributions of Ag‐4 d and Br‐4 p orbitals, this analysis also underscores Ag atoms' dominance in charge distribution. Optically, Cs 2 AgBiBr 6 exhibits UV absorption peaks around 15 eV, intensifying with photon energy up to 3.75 eV, hinting at its promise for solar applications. Guided by DFT, forty configurations involving various electron transport layers (ETLs) and hole transport layers (HTLs) are explored. Among these, CNTS emerges as the prime HTL due to ideal absorber alignment. The spotlight architecture, FTO/AZnO/Cs 2 AgBiBr 6 /CNTS/Au, boasts exceptional efficiency (23.5%), V oc (1.38 V), J sc (21.38 mA cm −2 ), and FF (79.9%). In contrast, FTO/CdZnS/Cs 2 AgBiBr 6 /CNTS/Au achieves a slightly lower 23.15% efficiency. Real‐world intricacies are probed, encompassing resistances, temperature, current–voltage ( J – V ) traits, and quantum efficiency (QE), enhancing practical relevance. These findings are thoughtfully contextualized within prior literature, showcasing the study's contributions to non‐toxic, inorganic perovskite solar technology. This work aspires to positively steer sustainable PV advancement. الخلاصة في خلفية الأولويات البيئية اليوم، حيث تعيق السمية والاستقرار تقدم خلايا البيروفسكايت الشمسية القائمةعلى الرصاص (PSC)، اكتسب ظهور بدائل خالية من الرصاص مثل Cs 2 AgBiBr 6 perovskites أهمية. تدور هذه الدراسة حول التقييم الشامل لـ Cs 2 AgBiBr 6 كمواد كهروضوئية محتملة (PV)، باستخدام حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) باستخدام CASTEP. كشف هذا التحليل عن فجوة نطاق حيوية تبلغ 1.654 إلكترون فولت والتأكيد على مساهمات مداري Ag -4 d و Br -4 p، كما يؤكد هذا التحليل على هيمنة ذرات Ag على توزيع الشحن. من الناحية البصرية، يُظهر Cs 2 AgBiBr 6 ذروة امتصاص الأشعة فوق البنفسجية حوالي 15 إلكترون فولت، مع تكثيف طاقة الفوتون حتى 3.75 إلكترون فولت، مما يشير إلى وعده بالتطبيقات الشمسية. تسترشد DFT، يتم استكشاف أربعين تكوينات تنطوي على طبقات نقل الإلكترون المختلفة (ETLs) وطبقات نقل الثقب (HTLs). من بين هذه، تبرز CNTS باعتبارها HTL الرئيسية بسبب محاذاة الامتصاص المثالية. تتميز بنية الأضواء الكاشفة، FTO/AZnO/Cs 2 AgBiBr 6 /CNTS/Au، بكفاءة استثنائية (23.5 ٪)، V oc (1.38 V)، J sc (21.38 mA cm −2 )، و FF (79.9 ٪). في المقابل، يحقق FTO/CdZnS/Cs 2 AgBiBr 6 /CNTS/Au كفاءة أقل قليلاً بنسبة 23.15 ٪. يتم فحص تعقيدات العالم الحقيقي، بما في ذلك المقاومات ودرجة الحرارة وسمات الجهد الحالي ( J – V ) والكفاءة الكمية (QE)، مما يعزز الأهمية العملية. يتم وضع هذه النتائج في سياقها بشكل مدروس في الأدبيات السابقة، مما يعرض مساهمات الدراسة في تكنولوجيا الطاقة الشمسية بيروفسكايت غير السامة وغير العضوية. يطمح هذا العمل إلى توجيه التقدم الكهروضوئي المستدام بشكل إيجابي.