Покращення сонячних елементів на основі ZnO/Si гетеропереходів: комбінований експериментальний та симуляційний підхід
Анотація
У цьому дослідженні ми розглядаємо виготовлення та оптимізацію сонячних елементів на основі ZnO/Si гетеропереходів для підвищення їхньої ефективності шляхом точного контролю властивостей електронної спорідненості та ширини забороненої зони. Тонкі плівки ZnO синтезували методом термічного окислення у високовакуумній камері з подальшим відпалом для покращення кристалічності та електричних характеристик. Фотовольтаїчна продуктивність сонячних елементів на основі ZnO/Si гетеропереходів систематично характеризувалася, а симуляції за допомогою Quantum ESPRESSO використовувалися для вдосконалення електронних властивостей ZnO. Наші результати показують значні покращення напруги холостого ходу, густини струму короткого замикання та загальної ефективності перетворення. Оптимізація сонячних елементів на основі ZnO/Si гетеропереходів включає покращення електронних властивостей тонких плівок ZnO. Симуляції за допомогою Quantum ESPRESSO використовувалися для оптимізації структури ZnO, обчислення зонної структури та густини станів (DOS), а також дослідження впливу легування Ga та Mg на електронні властивості ZnO. Першим кроком у нашому дослідженні була структурна оптимізація ZnO для визначення його найнижчої енергетичної конфігурації. Оптимізація інженерії зсуву зони для покращення ефективності фотовольтаїчних елементів n-ZnO/p-Si виявилася критично важливою. Легування ZnO Ga та Mg покращило узгодження зон з Si, зменшило втрати рекомбінації та підвищило рухливість носіїв заряду. Наші висновки підкреслюють потенціал оптимізованих сонячних елементів на основі ZnO/Si гетеропереходів для високоефективного перетворення сонячної енергії, демонструючи їхню життєздатність як економічно вигідні та ефективні рішення для відновлюваних джерел енергії. Це дослідження підкреслює важливість точної інженерії матеріалів та симуляційної оптимізації у розробці вдосконалених фотовольтаїчних пристроїв.
Завантаження
Посилання
N. Sultanov, Z. Mirzajonov, and F. Yusupov, “Technology of production and photoelectric characteristics of AlB 10 heterojunctions based on silicon,” E3S Web of Conferences, 458, 01013 (2023). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202345801013
N.A. Sultanov, Z.X. Mirzajonov, F.T. Yusupov, and T.I. Rakhmonov, “Nanocrystalline ZnO Films on Various Substrates: A Study on Their Structural, Optical, and Electrical Characteristics,” East Eur. J. Phys. (2), 309-314 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-2-35
R. Pietruszka, R. Schifano, T.A. Krajewski, B.S. Witkowski, K. Kopalko, L. Wachnicki, and E. Zielony, “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
R.A. Antwi, I. Nkrumah, F.K. Ampong, M. Paal, R.Y. Tamakloe, R.K. Nkum, and F. Boakye, “Synthesis of Pure and Manganese Doped Zinc Oxide Nanoparticles by a Solution Growth Technique: Structural and Optical Investigation,” East Eur. J. Phys. (4), 129-136 (2023). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-4-13
M.O. Abdulmalik, E. Danladi, R.C. Obasi, P.M. Gyuk, F.U. Salifu, S. Magaji, A.C. Egbugha, and D. Thomas, “Numerical Study of 25.459% Alloyed Inorganic Lead-Free Perovskite CsSnGeI3-Based Solar Cell by Device Simulation,” East Eur. J. Phys. (4), 125-135 (2022). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2022-4-12
N.M. Nemma, and Z.S. Sadeq, “Eco-Friendly Green Synthesis and Photocatalyst Activity of Ag-ZnO Nanocomposite,” East Eur. J. Phys. (3), 271-278 (2023). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-3-24
M.A. Shafi, S. Bibi, M.M. Khan, H. Sikandar, F. Javed, H. Ullah, L. Khan, and B. Mari, “A Numerical Simulation for Efficiency Enhancement of CZTS Based Thin Film Solar Cell Using SCAPS-1D,” East Eur. J. Phys. (2), 52-63 (2022). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2022-2-06
I. Kanmaz, “Simulation of CdS/p-Si/p+-Si and ZnO/CdS/p-Si/p+-Si heterojunction solar cells,” Results in Optics, 10, 100353 (2023). https://doi.org/10.1016/j.rio.2023.100353
S. Maqsood, Z. Ali, K. Ali, M. Ishaq, M. Sajid, A. Farhan, A. Rahdar, and S. Pandey, “Assessment of different optimized anti-reflection coatings for ZnO/Si heterojunction solar cells,” Ceramics International, 49(23), Part A, 37118-37126 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.08.313
A. Roy, and M. Benhaliliba, “Investigation of ZnO/p-Si heterojunction solar cell: Showcasing experimental and simulation study,” Optik, 274, 170557 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2023.170557
M.-R. Zamani-Meymian, N. Naderi, and M. Zareshahi, “Improved n-ZnO nanorods/p-Si heterojunction solar cells with graphene incorporation,” Ceramics International, 48(23), Part A, 34948-34956 (2022). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.08.084
D. Das, and L. Karmakar, “Optimization of Si doping in ZnO thin films and fabrication of n-ZnO:Si/p-Si heterojunction solar cells,” Journal of Alloys and Compounds, 824, 153902 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.153902
S. Maity, and P.P. Sahu, “Efficient Si-ZnO-ZnMgO heterojunction solar cell with alignment of grown hexagonal nanopillar,” Thin Solid Films, 674, 107-111 (2019). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.02.007
Q. Yu, H. Zhao, and Y. Zhao, “The study of optical-electrical properties of ZnO(AZO)/Si heterojunction,” Current Applied Physics, 57, 111-118 (2024). https://doi.org/10.1016/j.cap.2023.11.008
M. Manoua, et al., “Optimization of ZnO thickness for high efficiency of n-ZnO/p-Si heterojunction solar cells by 2D numerical simulation,” in: 2020 IEEE 6th International Conference on Optimization and Applications (ICOA), (Beni Mellal, Morocco, 2020), pp. 1-5, https://doi.org/10.1109/ICOA49421.2020.9094491
L. Chabane, N. Zebbar, M. Trari, and M. Kechouane, “Opto-capacitive study of n-ZnO/p-Si heterojunctions elaborated by reactive sputtering method: Solar cell applications,” Thin Solid Films, 636, 419-424 (2017). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.06.041
Y. Murat, and A. Kocyigit, “Characterization of Al/In: ZnO/p-Si photodiodes for various In doped level to ZnO interfacial layers,” Journal of Alloys and Compounds, 768, 1064-1075 (2018).
K. Mosalagae, D.M. Murape, and L.M. Lepodise, “Effects of growth conditions on properties of CBD synthesized ZnO nanorods grown on ultrasonic spray pyrolysis deposited ZnO seed layers,” Heliyon, 6(7), e04458 (2020). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e04458
J. Wang, J. Wang, J. Ding, Y. Wei, and J. Zhang, “Preparation of ZnO compact layer using vacuum ultraviolet for dye-sensitized solar cells,” Solid State Sciences, 127, 106860 (2022). https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2022.106860
C.E. Pachón, L.F. Mulcué-Nieto, and E. Restrepo, “Effect of band alignment on the n-InAlN/p-Si heterojunction for solar cells: a numerical study,” Materials Today Energy, 17, 100457 (2020). https://doi.org/10.1016/j.mtener.2020.100457
N.A. Mahammedi, H. Gueffaf, B. Lagoun, and M. Ferhat, “Numerical simulation and optimization of a silicon clathrate-based solar cell n-Si136/p-Si2 using SCAPS-1D program,” Optical Materials, 107, 110043 (2020). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110043
Авторське право (c) 2024 Фахріддін Т. Юсупов, Тохірбек І. Рахмонов, Мехріддін Ф. Ахмаджонов, Мумінджон М. Мадрахімов, Шерзод Ш. Абдуллаєв
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).
