DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37468-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41702987
تاريخ النشر: 2026-02-17
المؤلف: Mahmoud N. El-Mallah وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تحسين أداء خلايا الشمسية من نوع بيروفسكايت من خلال دمج جزيئات نانوية بلازمونية بيضاوية الشكل مصنوعة من نيتريد التيتانيوم (TiN) في الطبقة النشطة من يوديد الرصاص الميثيل الأمونيوم (CH₃NH₃PbI₃). هيكل الجهاز مصمم على شكل ITO/TiO₂/CH₃NH₃PbI₃/PEDOT:PSS/Au. باستخدام طرق فرق النهاية الزمنية (FDTD) للتحليل البصري وبرنامج SCAPS-1D لتقييم المعلمات الكهربائية، تظهر الدراسة أن التكوين المقترح يحقق أكثر من 90% امتصاص في نطاقات الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، مع طيف امتصاص واسع من 400 نانومتر إلى 1200 نانومتر. يرتبط هذا التعزيز البصري بتحسينات كبيرة في الأداء الكهربائي، حيث يحقق كثافة تيار الدائرة القصيرة (Jₛ𝒸) مقدار 46.84 مللي أمبير/سم²، جهد الدائرة المفتوحة (Vₒ𝒸) مقدار 0.8924 فولت، عامل ملء قدره 76.22%، وكفاءة تحويل طاقة ملحوظة قدرها 31.8%.
تسلط النتائج الضوء على القدرات البلازمونية لجزيئات TiN في تحسين أداء خلايا الشمس. تشمل النتائج الرئيسية: (1) تعزيز بصري واسع النطاق بسبب ترددات بلازمونية متعددة، مع الحفاظ على متوسط امتصاص فوق 0.9؛ (2) تحسين توليد وجمع الحوامل، مما يؤدي إلى زيادة في Jₛ𝒸 من 25.99 مللي أمبير/سم² إلى 46.84 مللي أمبير/سم²؛ و(3) زيادة كبيرة في كفاءة تحويل الطاقة من 18.2% في الخلايا القياسية إلى 31.8% في تلك التي تحتوي على تحسينات بلازمونية. بالإضافة إلى ذلك، تشير التحليلات المعلمية إلى أن الشكل الهندسي والأبعاد وترتيب الشبكة للجزيئات النانوية تؤثر بشكل كبير على كل من الأداء البصري والكهربائي، مما يقترح تكوينًا مثاليًا لتعظيم امتصاص الشمس وتعزيز كفاءة الجهاز.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون منهجية محاكاة تعتمد على فرق النهاية الزمنية (FDTD) لتحليل السلوك البصري ومحاكي SCAPS لتقييم الأداء الكهربائي. كان الهدف الرئيسي هو دراسة تأثير الجزيئات النانوية المدمجة على أداء خلايا الشمسية من نوع بيروفسكايت (PSCs)، مما يسهم في تطوير أجهزة أكثر كفاءة. يتكون هيكل الجهاز، الموضح في الشكل 1، من هيكل عادي (n-i-p) بحجم 400 نانومتر × 400 نانومتر، ويشمل طبقات من أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) كقطب أمامي موصل شفاف، وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) الذي يعمل كطبقة نقل إلكتروني (ETL) وطلاء مضاد للانعكاس، ويوديد الرصاص الميثيل الأمونيوم (CH₃NH₃PbI₃) كطبقة امتصاص بيروفسكايت. بالإضافة إلى ذلك، تعمل بوليمر (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين) بولي ستيرين سلفونات (PEDOT:PSS) كطبقة نقل ثقوب (HTL)، بينما تعمل طبقة الذهب (Au) كعاكس خلفي وموصل.
لتعزيز المجال الكهرومغناطيسي المحلي، دمج المؤلفون مصفوفة شبكية سداسية من جزيئات نانوية بيضاوية الشكل من نيتريد التيتانيوم (TiN) داخل طبقة البيروفسكايت. الهيكل بالكامل محاط بطبقة زجاجية لتوفير الدعم الميكانيكي وحماية PSC من التدهور البيئي بسبب الرطوبة والأكسجين والتعرض للأشعة فوق البنفسجية. تم تقديم الأبعاد التفصيلية لكل طبقة ونصف أقطار البيضاويات في الجدول 1، مما يبرز اعتبارات التصميم الدقيقة التي تهدف إلى تحسين أداء الجهاز.
نتائج
تشير النتائج إلى أن الهيكل المقترح يظهر طيف امتصاص واسع، محققًا قيم امتصاص أقل من 0.9 عبر نطاق الطول الموجي من 400 إلى 1200 نانومتر. يُعزى هذا الامتصاص الواسع بشكل أساسي إلى جزيئات نيتريد التيتانيوم (TiN)، التي تظهر امتصاصًا قويًا يمتد من الضوء المرئي إلى مناطق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR). تسهل الخصائص العازلة الفريدة لـ TiN حدوث تردد بلازموني سطحي محلي (LSPR) متحرك نحو الأحمر، مما يسمح لذيول الامتصاص بالامتداد إلى ما بعد 800 نانومتر. يعزز تعديل هياكل TiN النانوية، مثل استخدام البيضاويات النانوية، طيف الامتصاص ويحسن من احتجاز الضوء وترابط الرنين.
تكشف التحليلات أيضًا أن وجود البيضاويات من TiN يحافظ بشكل كبير على مستويات امتصاص عالية تتجاوز 750 نانومتر، على عكس الهياكل الضابطة التي تفتقر إلى هذه الجزيئات النانوية، والتي تظهر انخفاضًا ملحوظًا في الامتصاص إلى متوسط 0.25 بعد هذا العتبة. تلعب جهة الاتصال الخلفية الذهبية دورًا حاسمًا في ضمان عدم وجود انتقال عبر الطيف، مما يعزز العلاقة \( A = 1 – R \). بالإضافة إلى ذلك، تشير محاكاة شدة المجال الكهربائي داخل طبقة الامتصاص من البيروفسكايت إلى أنه في غياب الجزيئات النانوية البلازمونية، يحدث امتصاص ضئيل، خاصة عند الأطوال الموجية الأطول بسبب انخفاض معامل الامتصاص لمادة البيروفسكايت في منطقة NIR.
مناقشة
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون محاكاة فرق النهاية الزمنية (FDTD) ومحاكاة SCAPS-1D لدراسة تأثير جزيئات نانوية بلازمونية بيضاوية الشكل من نيتريد التيتانيوم (TiN) على أداء خلايا الشمسية من نوع بيروفسكايت (PSCs). استخدمت المحاكاة البصرية مصدر موجة مستوية مع نطاق طول موجي من 300-1500 نانومتر، مع تطبيق شروط حدود دورية في الاتجاهين X و Y وطبقات متطابقة تمامًا في الاتجاه Z لتقليل الانعكاسات. تم الحصول على الثوابت البصرية لمواد مختلفة من الأدبيات، وتم تطبيع ملفات توليد الضوء الناتجة إلى طيف الشمس AM1.5G. حسبت طريقة FDTD الامتصاص باستخدام العلاقة \( A(\lambda) = 1 – R – T \)، مما أدى إلى تعزيز امتصاص الضوء، خاصة في منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) بسبب إثارة البلازمونات السطحية المحلية (LSPs) بواسطة جزيئات TiN.
كشفت المحاكاة الكهربائية التي أجريت باستخدام SCAPS-1D عن تحسينات كبيرة في أداء الجهاز، مع كثافة تيار الدائرة القصيرة (\( J_{sc} \)) مقدار 46.84 مللي أمبير/سم² وكفاءة تحويل الطاقة (PCE) مقدار 31.8%، تقترب بشكل كبير من حد شوكلي-كويزر. أدى دمج جزيئات TiN إلى تحسين ملحوظ في \( J_{sc} \) بنسبة تقارب 80% وزيادة بنسبة 74.7% في PCE مقارنة بخلايا البيروفسكايت الأساسية. أبرزت الدراسة أهمية تحسين هندسة وترتيب الجزيئات النانوية، حيث أظهرت البيضاويات خصائص امتصاص متفوقة مقارنة بالأشكال الكروية والأسطوانية. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات البيضاويات من TiN في تعزيز كفاءات PSC، مما يوفر معيارًا نظريًا للتحقق التجريبي في المستقبل.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37468-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41702987
Publication Date: 2026-02-17
Author(s): Mahmoud N. El-Mallah et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
This research investigates the enhancement of Perovskite solar cell performance through the incorporation of ellipsoid plasmonic nanoparticles made of Titanium Nitride (TiN) into the methylammonium lead iodide (CH₃NH₃PbI₃) active layer. The device architecture is structured as ITO/TiO₂/CH₃NH₃PbI₃/PEDOT:PSS/Au. Utilizing finite difference time domain (FDTD) methods for optical analysis and SCAPS-1D software for electrical parameter evaluation, the study demonstrates that the proposed configuration achieves over 90% absorption in the visible and near-infrared (NIR) ranges, with a broad absorption spectrum from 400 nm to 1200 nm. This optical enhancement correlates with significant electrical performance improvements, yielding a short circuit current density (Jₛ𝒸) of 46.84 mA/cm², an open circuit voltage (Vₒ𝒸) of 0.8924 V, a fill factor of 76.22%, and a remarkable power conversion efficiency of 31.8%.
The findings highlight the plasmonic capabilities of TiN nanoparticles in enhancing solar cell performance. Key results include: (1) a broadband optical enhancement due to multiple plasmonic resonances, maintaining an average absorptance above 0.9; (2) improved carrier generation and collection, leading to an increase in Jₛ𝒸 from 25.99 mA/cm² to 46.84 mA/cm²; and (3) a significant rise in power conversion efficiency from 18.2% in standard cells to 31.8% in those with plasmonic enhancements. Additionally, parametric analysis indicates that the geometrical shape, dimensions, and lattice arrangement of the nanoparticles significantly influence both optical and electrical performance, suggesting an optimal configuration for maximizing solar absorption and enhancing device efficiency.
Methods
In this study, the authors employed a simulation methodology utilizing Finite-Difference Time-Domain (FDTD) for optical behavior analysis and the SCAPS simulator for electrical performance evaluation. The primary aim was to investigate the influence of integrated nanoparticles on the performance of perovskite solar cells (PSCs), thereby contributing to the development of more efficient devices. The device architecture, depicted in Figure 1, consists of a 400 nm x 400 nm normal (n-i-p) structure, incorporating layers of indium tin oxide (ITO) as a transparent conducting front electrode, titanium dioxide (TiO₂) serving as both the electron transport layer (ETL) and anti-reflection coating, and methylammonium lead iodide (CH₃NH₃PbI₃) as the perovskite absorber layer. Additionally, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) functions as the hole transport layer (HTL), while a gold (Au) layer acts as a back reflector and contact.
To enhance the local electromagnetic field, the authors integrated a hexagonal lattice array of ellipsoidal titanium nitride (TiN) nanoparticles within the perovskite layer. The entire structure is encapsulated with a glass layer to provide mechanical support and protect the PSC from environmental degradation due to moisture, oxygen, and ultraviolet light exposure. Detailed dimensions of each layer and the radii of the ellipsoids are provided in Table 1, underscoring the meticulous design considerations aimed at optimizing device performance.
Results
The results indicate that the proposed structure demonstrates a broad absorption spectrum, achieving absorptance values below 0.9 across the wavelength range of 400 to 1200 nm. This broad absorption is primarily attributed to titanium nitride (TiN) nanoparticles, which exhibit strong broadband absorption extending from the visible to the near-infrared (NIR) regions. The unique dielectric properties of TiN facilitate a red-shifted localized surface plasmon resonance (LSPR), allowing absorption tails to extend beyond 800 nm. The modification of TiN nanostructures, such as the use of nano-ellipsoids, enhances the absorption spectrum and improves light trapping and resonance coupling.
The analysis further reveals that the presence of TiN ellipsoids significantly maintains high absorption levels beyond 750 nm, in contrast to control structures lacking these nanoparticles, which show a marked decrease in absorption to an average of 0.25 past this threshold. The gold back contact plays a crucial role in ensuring zero transmission across the spectrum, reinforcing the relationship \( A = 1 – R \). Additionally, simulations of the electric field intensity within the perovskite absorber layer indicate that, in the absence of plasmonic nanoparticles, minimal absorption occurs, particularly at longer wavelengths due to the reduced absorption coefficient of the perovskite material in the NIR region.
Discussion
In this study, the authors employed Finite-Difference Time-Domain (FDTD) and SCAPS-1D simulations to investigate the impact of ellipsoidal titanium nitride (TiN) plasmonic nanoparticles on the performance of perovskite solar cells (PSCs). The optical simulation utilized a plane wave source with a wavelength range of 300-1500 nm, applying periodic boundary conditions in the X and Y directions and perfectly matched layers in the Z direction to minimize reflections. The optical constants for various materials were sourced from the literature, and the resulting optical generation profiles were normalized to the AM1.5G solar spectrum. The FDTD method calculated the absorptance using the relationship \( A(\lambda) = 1 – R – T \), leading to enhanced light absorption, particularly in the near-infrared (NIR) region due to the excitation of localized surface plasmons (LSPs) by the TiN nanoparticles.
The electrical simulations conducted with SCAPS-1D revealed significant improvements in device performance, with a short-circuit current density (\( J_{sc} \)) of 46.84 mA/cm² and a power conversion efficiency (PCE) of 31.8%, closely approaching the Shockley-Queisser limit. The incorporation of TiN nanoparticles resulted in a remarkable enhancement of \( J_{sc} \) by approximately 80% and a 74.7% increase in PCE compared to the baseline perovskite cell. The study highlighted the importance of optimizing nanoparticle geometry and arrangement, as ellipsoids demonstrated superior absorption characteristics over spherical and cylindrical shapes. Overall, the findings underscore the potential of TiN ellipsoids in advancing PSC efficiencies, providing a theoretical benchmark for future experimental validations.