Числове моделювання для підвищення ефективності тонкоплівкової сонячної батареї на основі CZTS за допомогою SCAPS-1D
Анотація
У цій роботі ми запропонували сонячну батарею з моделлю «Задній контак «Back Contact т/CZTS/ZnCdS/ZnO/Front Contact». CZTS працює як поглинаючий шар, ZnCdS як буферний шар і ZnO як віконний шар із заднім і переднім контактами. Вміст Zn змінювався від 0% до 10%, а заборонена зона змінювалася з 2,42 до 2,90 еВ, як описано в літературі. Вплив зміни ширини забороненої зони спостерігали на продуктивність сонячних елементів за допомогою програмного забезпечення SCAPS-1D. Ефективність змінювалася за рахунок зміни ширини забороненої зони тонкоплівкового шару ZnCdS. Моделювання проводили при 300 К під час А.М. 1,5 G 1 сонячного освітлення. Діаграма енергетичної забороненої зони була взята з SCAPS, щоб пояснити різні параметри сонячних елементів. Спостерігали вплив ZnCdS, що має різні значення ширини забороненої зони. Потім товщину шару CZTS змінювали, щоб перевірити його дію, і, отже, при 3,0 мкм забезпечили покращену ефективність у 13,83 %. Після оптимізації товщини шару CZTS було досліджено вплив робочої температури на продуктивність сонячного елемента. Зміна коефіцієнта поглинання від 1·104 до 1·109 cm-1 спричинила значний вплив на параметри характеристик сонячної батареї, а також на характеристики J-V і кривої квантової ефективності. При коефіцієнті поглинання 1·109 cm-1 ККД сонячних елементів збільшується до 16,24%. Це чудове підвищення ефективності сонячних елементів з 13,82% до 16,24%. Після оптимізації всіх параметрів моделювання проводилося при 280 К, товщина CZTS 3,5 мкм, з вмістом Zn в ZnCdS 10% (2,90 еВ) і коефіцієнтом поглинання 1·109, ефективність моделі досягала 17,6% при Voc порядку 0,994 В, АТ 26,1 мА/см2 і коефіцієнта заповнення 71,4%.
Завантаження
Посилання
Repins, S. Glynn, J. Duenow, T.J. Coutts, W.K. Metzger, and M.A. Contreras, in: Proc. SPIE 7409, Thin Film Solar Technology, 74090M (United States, 2009), https://doi.org/10.1117/12.828365
H. Khallaf, I.O. Oladeji, G. Chai, and L. Chow, “Characterization of CdS thin films grown by chemical bath deposition using four different cadmium sources”, Thin Solid Films. 516(21), 7306 (2008), https://doi.org/10.1016/j.tsf.2008.01.004
L.S.S. Singh, K.P. Tiwary, R.K. Purohit, Z.H. Zaidi, and M. Husain, “ECR plasma etching of GaAs in CCl2F2/Ar/O2 discharge and IR studies of the etched surface”, Current Applied Physics, 5(4), 351 (2005), https://doi.org/10.1016/j.cap.2004.04.002
S.K. Choubey, A. Kaushik, and K.P. Tiwary, “Structural and optical properties of pure and Mg doped CdSe nanoparticles synthesised by microwave assisted method”, Chalcogenide Letters, 15(3), 125 (2018), https://chalcogen.ro/125_ChoubeyS.pdf
R. Kumar, R. Praveen, S, Rani, K. Sharma, K.P. Tiwary, and K.D. Kumar, “ZnSe Nanoparticles Reinforced Biopolymeric Soy Protein Isolate Film”, Journal of Renewable Materials, 7(8), 749 (2019), https://www.techscience.com/jrm/v7n8/30575
S.K. Choubey, and K.P. Tiwary, Digest Journal of nanomaterials and Biostructures, 11(1), 33 (2016), https://chalcogen.ro/33_Choubey.pdf
S.K. Choubey, and K.P. Tiwary, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, 3(3), 10670 (2014), https://techjournals.stmjournals.in/index.php/NTs/article/download/829/747
B.S. Tosun, C. Pettit, S.A. Campbell, and E.S. Aydil “Structure and Composition of ZnxCd1–xS Films Synthesized through Chemical Bath Deposition”, ACS Appl. Mater. Interfaces. 4(7), 3676 (2012), https://doi.org/10.1021/am300771k
J. Song, S.S. Li, S. Yoon, J. Song., S.S. Li, S. Yoon, W.K. Kim, J. Kim, J. Chen, V. Craciun, T.J. Anderson, O. D. Crisalle, and F. Ren, “Growth and characterization of CdZnS thin film buffer layers by chemical bath deposition”, in: Conference Record of the IEEE Photovoltaic Specialists Conference, (IEEE, 2005), pp. 449-452.
S. Kumar, and K.P. Tiwary, “ZnCdS thin film chalcogenide by chemical bath deposition method”, Nanotrends AJ Nanotechnol Appl, 22(1), 19 (2020), https://techjournals.stmjournals.in/index.php/NTs/article/download/829/747
T.P. Kumar, S. Saravanakumar, and K. Sankaranarayanan, “Effect of annealing on the surface and band gap alignment of CdZnS thin films”, Applied Surface Science, 257(6), 1923-1927 (2011), http://dx.doi.org/10.1016%2Fj.apsusc.2010.09.027
C. Xing, Y. Zhang, W. Yan, and L. Guo, “Band structure-controlled solid solution of Cd1-x ZnxS photocatalyst for hydrogen production by water splitting”, International Journal of Hydrogen Energy, 31(14), 2018 (2006), https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.02.003
S. Horoz, Q. Dai, F. S. Maloney, B. Yakami, J. M. Pikal, X. Zhang, J. Wang, W. Wang, and J. Tang, “Absorption induced by Mn doping of ZnS for improved sensitized quantum-dot solar cells”, Physical Review Applied, 3(2), 024011 (2015), https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.3.024011
P.K. Santra, and P.V. Kamat, “Mn-doped quantum dot sensitized solar cells: a strategy to boost efficiency over 5%”, Journal of the American Chemical Society, 134(5), 2508 (2012), https://doi.org/10.1021/ja211224s
J.K. Salem, T.M. Hammad, S. Kuhn, M.A. Draaz, N.K. Hejazy, R. Hempelmann, J. Mater. Sci: Mater. Electron, 25, 2177 (2014), https://doi.org/10.1007/s10854-014-1856-8
H.J. Liu, and Y.C. Zhu, “Synthesis and characterization of ternary chalcogenide ZnCdS 1D nanostructures”, Materials Letters, 62(2), 255 (2008), https://doi.org/10.1016/j.matlet.2007.05.011
B. Kumar, P. Vasekar, S.A. Pethe, N.G. Dhere, and G.T. Koishiyev, Thin Solid Films, 517, 2295 (2009), https://doi.org/10.1016/j.tsf.2008.10.108
B. Dawoud, E.H Amer, and D.M. Gross, “Experimental investigation of an adsorptive thermal energy storage”, International journal of energy research, 31(2), 135 (2007), https://doi.org/10.1002/er.1235
M.C. Baykul, and N. Orhan, “Band alignment of Cd (1− x) ZnxS produced by spray pyrolysis method”, Thin Solid Films, 518(8), 1925 (2010), https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.07.142
A.J. Clayton, M.A. Baker, S. Babar, R. Grilli, P.N. Gibson, G. Kartopu, D.A. Lamb, V. Barrioz, and S.J.C.Irvine, “Effects of Cd1-xZnxS alloy composition and post-deposition air anneal on ultra-thin CdTe solar cells produced by MOCVD”, Materials Chemistry and Physics, 192, 244 (2017), https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.01.067
I. Levchuk, C. Würth, F. Krause, A. Osvet, M. Batentschuk, U.R. Genger, C. Kolbeck, P. Herre, H.P. Steinr ück, W. Peukert, and C.J. Brabec, Energy Environ. Sci. 9, 1083 (2016, https://doi.org/10.1039/C5EE03165F
B. Kumar, P. Vasekar, S.A. Pethe, N.G. Dhere, and G.T. Koishiyev, “ZnxCd1− xS as a heterojunction partner for CuIn1− xGaxS2 thin film solar cells”, Thin Solid Films, 517(7), 2295 (2009), https://doi.org/10.1016/j.tsf.2008.10.108
B. Bibi, B. Farhadi, W. Rahman, and A. Liu, “A novel design of CTZS/Si tandem solar cell: A numerical approach”, (2021), https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-309446/v1
M.A. Shafi, A. Bouich, K. Fradi, J.M. Guaita, L. Khan, and B. Mari, “Effect of Deposition Cycles on the Properties of ZnO Thin Films Deposited by Spin Coating Method for CZTS-based Solar Cells”, Optik, 168854 (2022), https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2022.168854
M.A. Shafi, L. Khan, S. Ullah, A. Bouich, H. Ullah, and B. Mari, “Synthesis of CZTS kesterite by pH adjustment in order to improve the performance of CZTS thin film for photovoltaic applications”, Superlattices and Microstructures, 107185 (2022), https://doi.org/10.1016/j.spmi.2022.107185
S. Chen, J.H. Yang, X.G. Gong, A. Walsh, and S.H. Wei, “Intrinsic point defects and complexes in the quaternary kesterite semiconductor Cu2ZnSnS4”, Physical Review B, 81(24), 245204 (2010), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.245204
A. Cherouana, and R. Labbani, “Numerical simulation of CZTS solar cell with silicon back surface field”, Materials Today: Proceedings, 5(5), 13795 (2018), https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.02.020
M.A. Shafi, L. Khan, S. Ullah, M.Y. Shafi, A. Bouich, H. Ullah, and B. Mari, “Novel Compositional Engineering for~ 26% Efficient CZTS-Perovskite Tandem Solar Cell”, Optik, 253, 168568 (2022), https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2022.168568
H. Movla, D. Salami, and S.V. Sadreddini, “Simulation analysis of the effects of defect density on the performance of pin InGaN solar cell”, Applied Physics A, 109(2), 497 (2012), https://doi.org/10.1007/s00339-012-7062-8
R.S. Crandall, “Modeling of thin film solar cells: Uniform field approximation”, Journal of Applied Physics, 54(12), 7176 (1983), https://doi.org/10.1063/1.331955
M. Uddin, M.S. Hossain, and N. Amin, Study on the prospects of Sb2Te3 back surface field in ZnCdS/ZnCdTe thin film solar cell, in: 2015 2nd International Conference on Electrical Information and Communication Technologies (EICT), (IEEE, 2015), pp. 403-406.
S.K. Pandey, and K. Kumar, “Device Modelling and Performance Analysis of CZTS/CdTe Solar Cell”, Advanced Science, Engineering and Medicine, 11(5), 351 (2019), https://doi.org/10.1166/asem.2019.2362
S. Ullah, H. Ullah, F. Bouhjar, M. Mollar, B. Marí, and A. Chahboun, “Influence of zinc content in ternary ZnCdS films deposited by chemical bath deposition for photovoltaic applications”, ECS Journal of Solid State Science and Technology, 7(8), P345 (2018), https://doi.org/10.1149/2.0021808jss
M.A. Shafi, H. Ullah, S. Ullah, L. Khan, S. Bibi, and B.M. Soucase, “Numerical Simulation of Lead-Free Sn-Based Perovskite Solar Cell by Using SCAPS-1D”, Engineering Proceedings, 12(1), 92 (2022), https://doi.org/10.3390/engproc2021012092
Y. Hamakawa, H. Okamoto, and Y. Nitta, “A new type of amorphous silicon photovoltaic cell generating more than 2.0 V”, Applied Physics Letters, 35(2), 187 (1979), https://doi.org/10.1063/1.91031
M.M.A. Moon, M.H. Ali, M.F. Rahman, J. Hossain, and A.B.M. Ismail, “Design and Simulation of FeSi2‐Based Novel Heterojunction Solar Cells for Harnessing Visible and Near‐Infrared Light”, Physica Status Solidi (a), 217(6), 1900921 (2020), https://doi.org/10.1002/pssa.201900921
Авторське право (c) 2022 М.А. Шафі, С. Бібі, М.М. ибн Хан, Х. Сікандар, Ф. Джавід, Х. Улла, Л. Хан, Б. Марі
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
