Сонячні елементи з 31% ефективністю на основі CIGS з використанням матеріалу SPIRO як буферного шару: чисельне моделювання

  • Мохамед Хамдауї Департамент інженерних наук, оптоелектроніка та прикладні енергетичні методи, факультет наук і техніки, університет Мулая Ісмаїла в Мекнесе, Буталамін, Еррачідія, Марокко https://orcid.org/0009-0008-9063-0984
  • Луссейн Ет-Тая Департамент інженерних наук, оптоелектроніка та прикладні енергетичні методи, факультет наук і техніки, університет Мулая Ісмаїла в Мекнесе, Буталамін, Еррачідія, Марокко https://orcid.org/0000-0002-9815-3667
  • Абделла Бенамі Департамент інженерних наук, оптоелектроніка та прикладні енергетичні методи, факультет наук і техніки, університет Мулая Ісмаїла в Мекнесе, Буталамін, Еррачідія, Марокко https://orcid.org/0000-0001-5516-5660
  • Маліка Ухаду Департамент інженерних наук, оптоелектроніка та прикладні енергетичні методи, факультет наук і техніки, університет Мулая Ісмаїла в Мекнесе, Буталамін, Еррачідія, Марокко https://orcid.org/0000-0002-9751-2381
  • Абдеррахман Ель Букілі Кафедра інженерних наук, сучасна фізика, радіація та застосування, факультет науки і технологій, університет Мулай Ісмаїла в Мекнесі, Буталамін, Еррашидія, Марокко https://orcid.org/0000-0002-3277-9640
  • Джауад Фош Департамент інженерних наук, електроніка та інтелектуальні системи, оптоелектроніка та прикладна енергетика (ОАЕТ), факультет наук і техніки, університет Мулай Ісмаїл у Мекнесі, Буталамін, Еррашідія, Марокко https://orcid.org/0000-0002-8509-6130
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-3-51
Ключові слова: SCAPS, робоча температура, товщина, робота виходу, параметри сонячних елементів

Анотація

У цьому дослідженні вивчається потенційне підвищення потужності сонячних елементів на основі (Cu(In,Ga)Se2) за допомогою числового моделювання з використанням програмного забезпечення SCAPS-1D для оптимізації їхньої продуктивності. Були проаналізовані різні параметри, включаючи товщину, концентрацію акцепторів та ширину забороненої зони активного шару CIGSe, а також концентрацію донорів та товщину буферного шару ZrS2. Також було враховано вплив робочої температури. Оптимізовані вихідні характеристики запропонованої конструкції елемента включають летючу органічну формулу (VOC) 1,13 В, струм опромінення (JSC) 32,61 мА/см², коефіцієнт деградації (FF) 89,12 та коефіцієнт виходу (PCE) 32,91. Ці результати можуть допомогти у розробці високоефективних тонкоплівкових сонячних елементів на основі CIGSe.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

A. Azmand and A.H. Kafashan, “Al-doped ZnS thin films: Physical and electrochemical characterizations,” J. Alloys Compd. 779, 301-313 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.268

R.N. Bhattacharya, M.-K. Oh and Y. Kim, “CIGS-based solar cells prepared from electrodeposited precursor films,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 98, 198–202 (2012). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.10.026

Qi Chen, et al., “Spiro-OMeTAD doped with cumene hydroperoxide for perovskite solar cells,” Electrochemistry Communications, 126, 107020 (2021). https://doi.org/10.1016/j.elecom.2021.107020

H. Kafashan and A. Bahrami, “CIGS solar cells using ZrS2 as buffer layer: Numerical simulation,” Optik - International Journal for Light and Electron Optics, 298, 171594 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2023.171594

P. Ganesan, et al., “A simple spiro-type hole transporting material for efficient perovskite solar cells,” Energy. Environ. Sci. 8(7), 1986–1991 (2015). https://doi.org/10.1039/C4EE03773A

M. Al-Hattab, et al., “Numerical simulation of a new heterostructure CIGS/GaSe solar cell system using SCAPS-1D software,” Sol. Energy, 227, 13–22 (2021). https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.08.084

M. Moustafa, T. Al Zoubi and S. Yasin, “Exploration of CZTS-based solar using the ZrS2 as a novel buffer layer by SCAPS simulation,” Opt. Mater. 124, 112001 (2022). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112001

M. Ameri, E. Mohajerani, M. Ghafarkani, N. Safari and S.A. Alavi, “The investigation of the unseen interrelationship of grain size, ionic defects, device physics and performance of perovskite solar cells,” J. Phys. D Appl. Phys. 52, 125501 (2019). https://doi.org/10.1088/1361-6463/AAFEA9

Y. Raoui, H. Ez-Zahraouy, N. Tahiri, O. El Bounagui, S. Ahmad and S. Kazim, “Performance analysis of MAPbI (3) based perovskite solar cells employing diverse charge selective contacts: Simulation study,” Sol. Energy, 193, 948–955 (2019). https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.10.009

S. Karthick, J. Boucle and S. Velumani, “Effect of bismuth iodide (BiI3) interfacial layer with different HTL’s in FAPI based perovskite solar cell-SCAPS-1D study,” Sol. Energy, 218, 157–168 (2021). https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.02.041

A. Hima, N. Lakhdar and A. Saadoune, “Effect of Electron Transporting Layer on Power Conversion Efficiency of Perovskite-Based Solar Cell: Comparative Study,” Journal of Nano- and Electronic Physics, 11, 01026 (2019). https://doi.org/10.21272/jnep.11(1).01026

D. Valencia, J. Conde, A. Ashok, C.A. Meza-Avendaño, H. Vilchis and S. Velumani, “Optimization of Cu(In, Ga)Se2 (CIGSe) thin film solar cells parameters through numerical simulationand experimental study,” Sol. Energy, 224, 298-308 (2021). https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.05.075

H. Aissat, H. Arbouz and J.P. Vilcot, “Optimization and improvement of a front graded bandgap CuInGaSe2 solar cell,”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 180, 381-385 (2018). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2017.09.017

A. Belghachi and N. Limam, “Effect of the absorber layer band-gap on CIGS solar cell,” Chinese Journal of Physics, 55(4), 1127-1134 (2017). https://doi.org/10.1016/j.cjph.2017.01.011

S. Bechlaghem, B. Zebentout and Z. Benamara, “The major influence of the conduction-bandoffset on Zn (O, S)/CuIn0.7Ga0.3Se2 solar cells,” Results in Physics, 10, 650-654 (2018). https://doi.org/10.1016/j.rinp.2018.07.006

L. Et-taya, T. Ouslimane and A. Benami, “'Numerical Simulation of Third-Generation Solar Cells Based on Kesterite CZTSSe Using SCAPS-1D,” in: Proceedings of the 3rd International Conference on Electronic Engineering and Renewable Energy Systems. ICEERE, 2022. Lecture Notes in Electrical Engineering, editet by H. Bekkay, A. Mellit, A. Gagliano, A. Rabhi, and A. Koulali, vol. 954. (Springer, Singapore, 2022). http://dx.doi.org/10.1007/978-981-19-6223-3_31

Y. Osman, M. Fedawy, M. Abaza and M.H. Aly, “Optimized CIGS based solar cell towards an efficient solar cell: impact of layers thickness and doping”, Optical and Quantum Electronics, 53, 245 (2021). https://doi.org/10.1007/s11082-021-02873-4

M. Abdelfatah, et al., “Fabrication and characterization of low cost Cu2O/ZnO: Al solar cells for sustainable photovoltaics with earth abundant materials,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 145, 454–461 (2016). https://doi.org/10.1016/j.solmat.2015.11.015

H. Kafashan and A. Bahrami, “CIGS solar cells using ZrS2 as buffer layer: Numerical simulation,” Optik, 298, 71594 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2023.171594

T. AlZoubi and M. Moustafa, “Numerical optimization of absorber and CdS buffer layers in CIGS solar cells using SCAPS,” International Journal of Smart Grid and Clean Energy, 8, 291-298 (2019). https://doi.org/10.12720/sgce.8.3.291-298

L. Et-Taya, A. El Khalfi, M. Ouhadou, A. El Boukili, Md.F. Rahman and A. Benami, “Design and simulation of a new kesterite solar cell structure with and without a perovskite back surface field layer to exceed 32% efficiency,” Physica Scripta, 99(5), 055922 (2024). https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad3684

L Et-taya, T. Ouslimane and A. Benami, “Numerical analysis of earth-abundant Cu2ZnSn(SxSe1-x)4 solar cells based on Spectroscopic Ellipsometry results by using SCAPS-1D,” Solar Energy, 201, 827-835 (2020). https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.03.070

X. Liu, B. Zheng, L. Shi, et al., « Perovskite solar cells based on spiro-OMeTAD stabilized with an alkylthiol additive,” Nat. Photon. 17, 96–105 (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01111-x

C. Lin, G. Liu, X. Xi, L. Wang, Q. Wang, Q. Sun, M. Li, et al., “The Investigation of the Influence of a Cu2O Buffer Layer on Hole Transport Layers in MAPbI3-Based Perovskite Solar Cells,” Materials, 15, 8142 (2022). https://doi.org/10.3390/ma15228142

S. Rabhi, et al., “The impact of CBz-PAI interlayer in various HTL-based flexible perovskite solar cells: A drift-diffusion numerical study”, Heliyon, 10(10), e31138 (2024). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e31138

H.S. Najafabadi, M.A. Meier and G.A. Hallock, “Charge carrier transport and electrical response by driving band gap modulation in semiconductors,” Applied Materials Today, 29, 101608 (2022). https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101608

L.V.T. Merino, et al., “Impact of the valence band energy alignment at the hole-collecting interface on the photostability of wide band-gap perovskite solar cells”, Joule, 8(9), 2585-2606 (2024). https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.06.017

A. Chen and K. Zhu, “Computer simulation of a-Si/c-Si heterojunction solar cell with high conversion efficiency,”. Sol. Energy, 86, 393–397 (2012). https://doi.org/10.1016/j.solener.2011.10.015

Rihana, S.F. Ahmed and M. Khalid, “Simulation of CIGS based solar cells with SnO2 window layer using SCAPS-1D,” in: 2019 International Conference on Power Electronics, Control and Automation (ICPECA), (New Delhi, India, 2019), pp. 1-4. https://doi.org/10.1109/ICPECA47973.2019.8975461

H. Heriche, Z. Rouabah and N. Bouarissa, “New ultra-thin CIGS structure solar cells using SCAPS simulation program,” International Journal of Hydrogen Energy. 42, 9524-9532 (2017). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.02.099

M. Hamdaoui, L. Et-Taya, J. Foshi, N. Mansour and A. Benami, “Enhancement of the performance of solar cells based-CIGSe by using SCAPS-1D,” in: 2024 International Conference on Circuit, Systems and Communication (ICCSC), (Fes, Morocco, 2024), pp. 1-4, https://doi.org/10.1109/ICCSC62074.2024.10617204

Опубліковано
2025-09-08
Цитовано
Як цитувати
Хамдауї, М., Ет-Тая, Л., Бенамі, А., Ухаду, М., Букілі, А. Е., & Фош, Д. (2025). Сонячні елементи з 31% ефективністю на основі CIGS з використанням матеріалу SPIRO як буферного шару: чисельне моделювання. Східно-європейський фізичний журнал, (3), 466-475. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-3-51
Номер
№ 3 (2025): Східно-європейський фізичний журнал
Розділ
Статті

Авторське право (c) 2025 Мохамед Хамдауї, Луссейн Ет-Тая, Абделла Бенамі, Маліка Ухаду, Абдеррахман Ель Букілі, Джауад Фош

Ліцезія Creative Commons

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).