مدل سازی و شبیه سازی سلول های خورشیدی پروسکایتی

سلول های خورشیدی پروسکایتی (Perovskite Solar Cells) به دلیل رشد تصاعدی بازده توانی از ۳/۸ درصد در سال ۲۰۰۹ به بیش از ۲۶ درصد در سال ۲۰۲۵، به عنوان یکی از امیدوارکننده ترین فناوری های فتوولتائیک نسل سوم مطرح شده اند. با وجود این پیشرفت های تجربی چشمگیر، درک جامع از پدیده های فیزیکی حاکم بر عملکرد این ادوات، به ویژه برهم کنش یون های متحرک با حامل های بار، مکانیزم های نوترکیبی در لایه های نازک و اثرات تنش های مکانیکی ناشی از لایه نشانی، همچنان به عنوان یک چالش اساسی باقی مانده است. این مقاله مروری سیستماتیک، به بررسی پیشرفته ترین رویکردهای مدل سازی و شبیه سازی عددی در سلول های پروسکایتی می پردازد. ابتدا معادلات حاکم بر انتقال بار شامل معادله پواسون و معادلات پیوستگی برای حامل های الکترون و حفره ارائه شده و روش های حل عددی مبتنی بر تفاضل محدود (Finite Difference Method) معرفی می گردد. در ادامه، نرم افزارهای استاندارد حوزه از جمله SCAPS-۱D، Silvaco TCAD، COMSOL Multiphysics و حلگرهای مبتنی بر روش FDTD (Finite-Difference Time-Domain) مورد تحلیل انتقادی قرار گرفته و کاربرد آن ها در بهینه سازی لایه های انتقال بار، مدیریت نور و ساختارهای تاندم ارزیابی می شود. یافته های جدید نشان می دهد که مدل سازی گذرا (Transient) همراه با در نظر گرفتن تحرک یونی و پدیده پسماند (Hysteresis)، همبستگی بالاتری با داده های تجربی نسبت به مدل های حالت پایا فراهم می کند. جدول های ارائه شده شامل مقادیر بهینه ضخامت لایه جاذب (بین ۳۵۰ تا ۸۵۰ نانومتر)، چگالی نقص سطحی (حداکثر ۱۰¹³ سانتی متر⁻²) و همچنین ضرایب بهینه سازی برای سلول های بدون سرب هستند. در بخش نهایی، پیشرفت های اخیر در کاربرد یادگیری عمیق، به ویژه شبکه های عصبی بازگشتی (RNN) و جنگل تصادفی (Random Forest)، برای تخمین پارامترهای فیزیکی غیرقابل اندازه گیری مستقیم و تسریع فرآیند بهینه سازی مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج حاکی از آن است که رویکردهای چندفیزیک (Multiphysics) تلفیقی نور-الکتریسیته-تنش، مسیر امیدوارکننده ای برای دستیابی به پایداری طولانی مدت و بازده فراتر از حد شاکلی-کوئیسر (Shockley-Queisser) تا ۳۵ درصد در ساختارهای تاندم بدون سرب ترسیم می نمایند.

کلیدواژه ها:

سلول خورشیدی پروسکایتی ، مدل سازی دریفت-دیفیوژن ، یادگیری ماشین ، SCAPS-۱D ، پایداری