Optimizing the Photovoltaic Performance of Lead-Free Perovskite Solar Cells through Numerical Simulation

Abstract

Initially, lead-based perovskite solar cells attracted significant attention in the perovskite research community. However, due to their toxicity, the transition toward lead-free perovskite materials became essential .This study focuses on optimizing the performance of lead-free perovskite solar cells using numerical simulations with the SCAPS-1D program. In the first phase, a reference solar cell with the structure (FTO/SnS2/RbSnI3/Au) was modeled, achieving a simulated efficiency of 26.50%, consistent with published numerical results .To enhance this performance, a new top absorber layer, RbSnBr3, was introduced to extend the absorption spectrum, forming a bilayer structure (FTO/SnS2/RbSnBr3/RbSnI3/Au), which raised the efficiency to 28.21%. In the second phase, various electron transport layers (ETLs) were evaluated, with cadmium sulfide (CdS) selected as the optimal material due to its superior performance . Key design parameters, including layer thickness and doping concentrations, were optimized. Furthermore, the effect of different back contact metals and their work functions on device performance was investigated. The best results were achieved with an RbSnBr3 thickness of 1000 nm and RbSnI3 thickness of 500 nm, both with doping concentrations of 1×10¹⁸ cm⁻³. Under AM1.5G solar illumination and an operating temperature of 300 K, the optimized bilayer cell reached an efficiency of 31.40%, with a short-circuit current density of 27.59 mA/cm², open-circuit voltage of 1.03 V, and fill factor of 85.83% . الباحثين في البيروفسكايت في البداية، شهدت خلايا بيروفسكايت الشمسية المعتمدة على الرصاص اهتمامًا واسعًا في مجتمع في هذه الدراسة، تم تحليل ولكن بسبب سُميّتها، أصبح من الضروري التوجّه نحو تطوير خلايا بيروفسكايت خالية من الرصاص. . في المرحلة الأولى، تمت SCAPS-1D أداء الخلايا الشمسية الخالية من الرصاص باستخدام المحاكاة الرقمية من خلال برنامج FTO/SnS / 3 RbSnI Au مرجعية تعتمد على بنية ( 2 / %، 26.50 )، وقد أظهرت محاكاتها كفاءة تصل إلى دراسة خلية شمسية 3 RbSnBr ، لزيادة الكفاءة، تم اقتراح إضافة طبقة امتصاص علوية من مادة متوافقة مع النتائج الرقمية المنشورة في الأدبيات. )، مما أدى إلى تحسين الكفاءة FTO/Sn S 2 / 3 RbSnBr / / 3 RbSnI Au لتوسيع نطاق الامتصاص، وتكوين خلية ثنائية الطبقة ( ) وتم اختيار مادة كبريتيد الكادميوم ETL %. في المرحلة الثانية، تم تقييم عدة مواد كطبقة ناقلة للإلكترونات ( 28.21 لتبلغ لتطعيم، بالإضافة إلى كما تم تحسين معلمات التصميم الأساسية مثل سمك الطبقات وتركيزات ا ) نظراً لأدائها الأفضل.CdS ( 500 دراسة تأثير دالة الشغل لمواد التلامس الخلفي من المعادن المختلفة. وأظهرت النتائج أن أفضل أداء تم تحقيقه عند سمك ، مما أدى إلى كفاءة ³ سم⁻ 10¹⁸ × 1 بمقدار RbSnBr تطعيم ، مع تركيزات 3 RbSnI 3 و نانومتر لكل من طبقتي 1000 نانومتر و %، 85.83 لتعبئة ، ومعامل ا ² 27.59 فولت، وكثافة تيار دائرة قصيرة م.أ/سم 1.03 %، وجهد دائرة مفتوحة 31.40 وصلت إلى كلفن. 300 ودرجة حرارة AM1.5G تحت "