Підвищення ефективності та стабільності сонячних елементів третього покоління шляхом інтеграції кремнію p-типу: аналіз процесу та оцінка продуктивності
Анотація
Сонячні батареї третього покоління з’явилися як потенційне рішення проблем ефективності та стабільності, які виникають у традиційних сонячних технологіях. Це дослідження зосереджено на характеристиках тонких плівок міді-цинку-олова-сульфіду (CZTS) у цій інноваційній архітектурній структурі, яка є важливим кроком до вдосконалення сонячних елементів третього покоління шляхом включення шару кремнію p-типу. Цей інтегрований метод забезпечує універсальне та кероване налаштування для осадження плівок, підкреслюючи зусилля, докладені для створення високоякісних тонких плівок CZTS. Використовуючи рентгенівську дифракцію (XRD), дослідження оцінило структурні зміни плівок CZTS після відпалу, виявивлено, що кестеритові фази були домінуючими. Зображення, отримані скануючим електронним мікроскопом (SEM), демонструють мікроструктуру та морфологію поверхні покритих CZTS кремнієвих нанодротів (Si-NW). Детальний аналіз вольт-амперних характеристик свідчить про робочий потенціал сонячної батареї з покриттям Si-NWs-CZTS. Значні параметри продуктивності, що спостерігалися, включають значення Voc 0,45±0,02 В, значення Isc 8,25±0,30 мА/см², значення FF 24 ± 2 % і значення η 1,0±0,1 %. Результати вказують на можливість використання кремнію р-типу для підвищення продуктивності сонячних елементів третього покоління.
Завантаження
Посилання
J. Ramanujam, D.M. Bishop, T.K. Todorov, O. Gunawan, J. Rath, R. Nekovei, E. Artegiani, and A. Romeo, “Flexible CIGS, CdTe and a-Si: H based thin film solar cells: A review,” Progress in Materials Science, 110, 100619 (2020). https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2019.100619
L.V. Mercaldo, I. Usatii, and P.D. Veneri, “Advances in thin-film Si solar cells by means of SiOx alloys,” Energies, 9(3), 218 (2016). https://doi.org/10.3390/en9030218
M. Zellmeier, S. Kühnapfel, B. Rech, N.H. Nickel, and J. Rappich, “Enhanced stability of P3HT/poly‐crystalline Si thin film hybrid solar cells,” Physica Status Solidi (a), 213(7), 1904-1908 (2016). https://doi.org/10.1002/pssa.201532772
H.L. Zhang, T. Van Gerven, J. Baeyens, and J. Degrève, “Photovoltaics: Reviewing the European feed-in-tariffs and changing PV efficiencies and costs,” The Scientific World Journal, 2014, 404913 (2014). https://doi.org/10.1155/2014/404913
R. Pietruszka, B.S. Witkowski, S. Gieraltowska, P. Caban, L. Wachnicki, E. Zielony, K. Gwozdz, et al., “New efficient solar cell structures based on zinc oxide nanorods,” Solar Energy Materials and Solar Cells, 143, 99-104 (2015). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2015.06.042
R. Pietruszka, R. Schifano, T.A. Krajewski, B.S. Witkowski, K. Kopalko, L. Wachnicki, E. Zielony et al., “Improved efficiency of n-ZnO/p-Si based photovoltaic cells by band offset engineering,” Solar Energy Materials and Solar Cells, 147, 164-170 (2016). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2015.12.018
M.C. Beard, J.M. Luther, and A.J. Nozik, “The promise and challenge of nanostructured solar cells,” Nature nanotechnology, 9(12), 951-954 (2014). https://doi.org/10.1038/nnano.2014.292
A. Rao, and R.H. Friend, “Harnessing singlet exciton fission to break the Shockley-Queisser limit,” Nature reviews materials, 2(11), 1-12 (2017). https://doi.org/10.1038/natrevmats.2017.63
Y. Li, G. Xu, C. Cui, and Y. Li, “Flexible and semitransparent organic solar cells,” Advanced Energy Materials, 8(7), 1701791 (2018). https://doi.org/10.1002/aenm.201701791
A. Dubey, N. Adhikari, S. Mabrouk, F. Wu, K. Chen, S. Yang, and Q. Qiao, “A strategic review on processing routes towards highly efficient perovskite solar cells,” Journal of Materials Chemistry A, 6(6), 2406-2431 (2018). https://doi.org/10.1039/C7TA08277K
E.H. Anaraki, A. Kermanpur, M.T. Mayer, L. Steier, T. Ahmed, S.-H. Turren-Cruz, J. Seo, et al., “Low-temperature Nb-doped SnO2 electron-selective contact yields over 20% efficiency in planar perovskite solar cells,” ACS Energy Letters, 3(4), 773-778 (2018). https://doi.org/10.1021/acsenergylett.8b00055
M. Saliba, J.‐P. Correa‐Baena, M. Grätzel, A. Hagfeldt, and A. Abate, “Perovskite solar cells: from the atomic level to film quality and device performance,” Angewandte Chemie International Edition, 57(10), 2554-2569 (2018). https://doi.org/10.1002/anie.201703226
E. Mirabi, F.A. Abarghuie, and R. Arazi, “Integration of buildings with third-generation photovoltaic solar cells: a review,” Clean Energy, 5(3), 505-526 (2021). https://doi.org/10.1093/ce/zkab031
M.E. Yeoh, and K.-Y. Chan. “A review on semitransparent solar cells for real-life applications based on dye-sensitized technology,” IEEE Journal of Photovoltaics, 11(2), 354-361 (2021). https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2020.3047199
Z. Mubarak, N.M. Nursam, S. Shobih, J. Hidayat, and D. Tahir, “A comparison of the utilization of carbon nanopowder and activated carbon as counter electrode for monolithic dye-sensitized solar cells (DSSC),” Jurnal Elektronika dan Telekomunikasi, 18(1), 15-20 (2018). http://dx.doi.org/10.14203/jet.v18.15-20
V. Pramananda, T.A.H. Fityay, and E. Misran, “Anthocyanin as natural dye in DSSC fabrication: A review,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1122(1), 012104 (2021). https://doi.org/10.1088/1757-899X/1122/1/012104
G. Richhariya, A. Kumar, P. Tekasakul, and B. Gupta, “Natural dyes for dye sensitized solar cell: A review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 69, 705-718 (2017). https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.11.198
A. Pallikkara, and K. Ramakrishnan, “Efficient charge collection of photoanodes and light absorption of photosensitizers: A review,” International Journal of Energy Research, 45(2), 1425-1448 (2021). https://doi.org/10.1002/er.5941
M.N. Mustafa, and Y. Sulaiman, “Review on the effect of compact layers and light scattering layers on the enhancement of dye-sensitized solar cells,” Solar Energy, 215, 26-43 (2021). https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.12.030
Yu Lin, Y. Firdaus, F.H. Isikgor, M.I. Nugraha, E. Yengel, G.T. Harrison, R. Hallani et al., “Self-assembled monolayer enables hole transport layer-free organic solar cells with 18% efficiency and improved operational stability,” ACS Energy Letters, 5(9), 2935-2944 (2020). https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c01421
Q. Liu, Y. Jiang, K. Jin, J. Qin, J. Xu, W. Li, J. Xiong, et al., “18% Efficiency organic solar cells,” Science Bulletin, 65(4), 272 275 (2020). https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.01.001
J. Gao, W. Gao, X. Ma, Z. Hu, C. Xu, X. Wang, Q. An, et al., “Over 14.5% efficiency and 71.6% fill factor of ternary organic solar cells with 300 nm thick active layers,” Energy & Environmental Science, 13(3), 958-967 (2020). https://doi.org/10.1039/C9EE04020J
M. Zhang, Z. Xiao, W. Gao, Q. Liu, K. Jin, W. Wang, Y. Mi, et al., “Over 13% efficiency ternary nonfullerene polymer solar cells with tilted up absorption edge by incorporating a medium bandgap acceptor,” Advanced Energy Materials, 8(30), 1801968 (2018). https://doi.org/10.1002/aenm.201801968
Z. Xiao, S. Yang, Z. Yang, J. Yang, H.‐L. Yip, F. Zhang, F. He, et al., “Carbon–Oxygen‐Bridged Ladder‐Type Building Blocks for Highly Efficient Nonfullerene Acceptors,” Advanced Materials, 31(45), 1804790 (2019). https://doi.org/10.1002/adma.201804790
J. Yuan, Y. Zhang, L. Zhou, G. Zhang, H.-L. Yip, T.-K. Lau, X. Lu, et al. “Single-junction organic solar cell with over 15% efficiency using fused-ring acceptor with electron-deficient core,” Joule, 3(4), 1140-1151 (2019). https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.01.004
Q. An, J. Wang, W. Gao, X. Ma, Z. Hu, J. Gao, C. Xu, et al., “Alloy-like ternary polymer solar cells with over 17.2% efficiency,” Science Bulletin, 65(7), 538-545 (2020). https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.01.012
Y. Cui, H. Yao, J. Zhang, K. Xian, T. Zhang, L. Hong, Y. Wang, et al., “Single‐junction organic photovoltaic cells with approaching 18% efficiency,” Advanced Materials, 32(19), 1908205 (2020). https://doi.org/10.1002/adma.201908205
L. Zhan, S. Li, T.-K. Lau, Y. Cui, X. Lu, M. Shi, C.-Z. Li, et al., “Over 17% efficiency ternary organic solar cells enabled by two non-fullerene acceptors working in an alloy-like model,” Energy & Environmental Science, 13(2), 635-645 (2020). https://doi.org/10.1039/C9EE03710A
Y. Lin, J. Wang, Z.‐G. Zhang, H. Bai, Y. Li, D. Zhu, and X. Zhan, “An electron acceptor challenging fullerenes for efficient polymer solar cells,” Advanced materials, 27(7), 1170-1174 (2015). https://doi.org/10.1002/adma.201404317
Z. Hu, F. Zhang, Q. An, M. Zhang, X. Ma, J. Wang, J. Zhang, and J. Wang, “Ternary nonfullerene polymer solar cells with a power conversion efficiency of 11.6% by inheriting the advantages of binary cells,” ACS Energy Letters, 3(3), 555-561 (2018). https://doi.org/10.1021/acsenergylett.8b00100
X. Ma, J. Wang, Q. An, J. Gao, Z. Hu, C. Xu, X. Zhang, et al., “Highly efficient quaternary organic photovoltaics by optimizing photogenerated exciton distribution and active layer morphology,” Nano Energy, 70, 104496 (2020). https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104496
P. Cheng, C. Yan, Y. Wu, J. Wang, M. Qin, Q. An, J. Cao, et al., “Alloy acceptor: superior alternative to PCBM toward efficient and stable organic solar cells,” Advanced Materials, 28(36), 8021-8028 (2016). https://doi.org/10.1002/adma.201602067
W. Gao, Q. An, M. Hao, R. Sun, J. Yuan, F. Zhang, W. Ma, et al., “Thick‐film organic solar cells achieving over 11% efficiency and nearly 70% fill factor at thickness over 400 nm,” Advanced Functional Materials, 30(10), 1908336 (2020). https://doi.org/10.1002/adfm.201908336
Z. Hu, J. Wang, X. Ma, J. Gao, C. Xu, K. Yang, Z. Wang, et al., “A critical review on semitransparent organic solar cells,” Nano Energy, 78, 105376 (2020). https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105376
S. Yang, A. Cannavale, D. Prasad, A. Sproul, and F. Fiorito, “Numerical simulation study of BIPV/T double-skin facade for various climate zones in Australia: Effects on indoor thermal comfort,” Building Simulation, 12, 51-67 (2019). https://doi.org/10.1007/s12273-018-0489-x
Y. Jiang, L. Qiu, E. J. Juarez-Perez, L.K. Ono, Z. Hu, Z. Liu, Z. Wu, et al., “Reduction of lead leakage from damaged lead halide perovskite solar modules using self-healing polymer-based encapsulation,” Nature Energy, 4(7), 585-593 (2019). https://doi.org/10.1038/s41560-019-0406-2
S.G. Hashmi, D. Martineau, M.I. Dar, T.T.T. Myllymäki, T. Sarikka, V. Ulla, S.M. Zakeeruddin, and M. Grätzel, “High performance carbon-based printed perovskite solar cells with humidity assisted thermal treatment,” Journal of Materials Chemistry A, 5(24), 12060-12067 (2017). https://doi.org/10.1039/C7TA04132B
C.R. Kagan, E. Lifshitz, E.H. Sargent, and D.V. Talapin, “Building devices from colloidal quantum dots,” Science, 353(6302), aac5523 (2016). https://doi.org/10.1126/science.aac5523
M.J. Speirs, D.N. Dirin, M. Abdu-Aguye, D.M. Balazs, M.V. Kovalenko, and M.A. Loi, “Temperature dependent behaviour of lead sulfide quantum dot solar cells and films,” Energy & Environmental Science, 9(9), 2916-2924 (2016). https://doi.org/10.1039/C6EE01577H
H. Lee, H.-J. Song, M. Shim, and C. Lee, “Towards the commercialization of colloidal quantum dot solar cells: perspectives on device structures and manufacturing,” Energy & Environmental Science, 13(2), 404-431 (2020). https://doi.org/10.1039/C9EE03348C
K. Pal, K.B. Thapa, and A. Bhaduri, “A review on the current and future possibilities of copper-zinc tin sulfur thin film solar cell to increase more than 20% efficiency,” Advanced Science, Engineering and Medicine, 10(7-8), 645-652 (2018). https://doi.org/10.1166/asem.2018.2225
D. Sharma, R. Mehra, and B. Raj, “Comparative analysis of photovoltaic technologies for high efficiency solar cell design,” Superlattices and Microstructures, 153, 106861 (2021). https://doi.org/10.1016/j.spmi.2021.106861
E. Peksu, O. Guller, M. Parlak, M.S. Islam, and H. Karaagac, “Towards the fabrication of third generation solar cells on amorphous, flexible and transparent substrates with well-ordered and disordered Si-nanowires/pillars,” Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures, 124, 114382 (2020). https://doi.org/10.1016/j.physe.2020.114382
H.T. Dastjerdi, R. Tavakoli, P. Yadav, D. Prochowicz, M. Saliba, and M.M. Tavakoli, “Oxygen plasma-induced p-type doping improves performance and stability of PbS quantum dot solar cells,” ACS applied materials & interfaces, 11(29), 26047-26052 (2019). https://doi.org/10.1021/acsami.9b08466
E. Peksu, and H. Karaagac, “A third-generation solar cell based on wet-chemically etched Si nanowires and sol-gel derived Cu2ZnSnS4 thin films,” Journal of Alloys and Compounds, 774, 1117-1122 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.10.012
O. Guller, E. Peksu, and H. Karaagac, “Synthesis of TiO2 Nanorods for Schottky‐Type UV‐Photodetectors and Third‐Generation Solar Cells,” Physica Status Solidi (a), 215(4), 1700404 (2018). https://doi.org/10.1002/pssa.201700404
C. Wang, C. Li, S. Wen, P. Ma, Y. Liu, R.C.I. Mac Kenzie, W. Tian, and S. Ruan, “Combining plasmonic trap filling and optical backscattering for highly efficient third generation solar cells,” Journal of Materials Chemistry A, 5(8), 3995-4002 (2017). https://doi.org/10.1039/C7TA00229G
Y. Wan, C. Samundsett, J. Bullock, M. Hettick, T. Allen, D. Yan, J. Peng et al. “Conductive and stable magnesium oxide electron‐selective contacts for efficient silicon solar cells,” Advanced Energy Materials, 7(5), 1601863 (2017). https://doi.org/10.1002/aenm.201601863
L. Zhu, L. Wang, C. Pan, L. Chen, F. Xue, B. Chen, L. Yang, et al., “Enhancing the efficiency of silicon-based solar cells by the piezo-phototronic effect,” ACS nano, 11(2), 1894-1900 (2017). https://doi.org/10.1021/acsnano.6b07960
T. Fix, A. Nonat, D. Imbert, S. Di Pietro, M. Mazzanti, A. Slaoui, and L.J. Charbonnière, “Enhancement of silicon solar cells by downshifting with Eu and Tb coordination complexes,” Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 24(9), 1251 1260 (2016). https://doi.org/10.1002/pip.2785
X. Xu, J. Cui, J. Han, J. Zhang, Y. Zhang, L. Luan, G. Alemu et al., “Near field enhanced photocurrent generation in p-type dye-sensitized solar cells,” Scientific Reports, 4(1), 3961 (2014). https://doi.org/10.1038/srep03961
Авторське право (c) 2024 Сантош Кумар Шрівастава, Джітендра Сінгх
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).
