Моделювання та оптимізаційна валідація тонкоплівкових сонячних елементів Sb₂Se₃ у програмному забезпеченні SCAPS-1D

  • К.М. Кучкаров Фізико-технічний інститут імені А.С. Азімова, Ташкент, Узбекистан https://orcid.org/0000-0002-2238-7205
  • Б.А. Ергашев Фізико-технічний інститут імені А.С. Азімова, Ташкент, Узбекистан https://orcid.org/0000-0001-9456-7961
  • Р.Т. Юлдошов Фізико-технічний інститут імені А.С. Азімова, Ташкент, Узбекистан https://orcid.org/0000-0002-7886-1607
  • М.П. Пірімматов Фізико-технічний інститут імені А.С. Азімова, Ташкент, Узбекистан https://orcid.org/0009-0000-4829-7817
  • Р.Р. Хуррамов Фізико-технічний інститут імені А.С. Азімова, Ташкент, Узбекистан https://orcid.org/0009-0008-1038-0138
  • Д.З. Ісаков Фізико-технічний інститут імені А.С. Азімова, Ташкент, Узбекистан https://orcid.org/0000-0003-4314-5683
  • М.А. Махмудов Фізико-технічний інститут імені А.С. Азімова, Ташкент, Узбекистан https://orcid.org/0009-0008-8836-0559
  • Ш.М. Бобомурадов Фізико-технічний інститут імені А.С. Азімова, Ташкент, Узбекистан https://orcid.org/0009-0001-1338-3202
  • А.С. Матмуратов Фізико-технічний інститут імені А.С. Азімова, Ташкент, Узбекистан https://orcid.org/0009-0005-6121-6424
  • А.І. Ешкораєв Фізико-технічний інститут імені А.С. Азімова, Ташкент, Узбекистан https://orcid.org/0009-0008-9022-5700
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-3-37
Ключові слова: Sb2Se3, тонкоплівковий сонячний елемент, SCAPS-1D, теоретична модель, оптимізація параметрів, фотоелектрична ефективність

Анотація

У цьому аналітичному есе розглядається селенід сурми (Sb2Se3) як потенційний матеріал-кандидат для використання в якості тонкоплівкового фотоелектричного поглинача. Sb2Se3 забезпечив значні екологічні/економічні переваги, включаючи велике оптичне поглинання, регульовану ширину забороненої зони близько 1,13 еВ та відсутність токсичних елементів. У цьому дослідженні було проведено параметричне дослідження на основі платформи SCAPS-1D з метою визначення ідеальних конструкцій шарів, інтерфейсів, динаміки носіїв заряду та вирівнювання зон. Цей аналіз зосереджений на механізмах втрат, які обмежують фотоелектричну продуктивність, з метою ізоляції та розробки стратегій для пригнічення рекомбінації Шоклі-Ріда-Холла, поверхневої рекомбінації, різниці в зміщенні зон та ефектів внутрішньої дифузії. Результати надають практичні пропозиції щодо мінімізації втрат напруги, такі як мінімізація товщини поглинача/буфера, мінімізація густини акцептора, оптимізація зміщення зони провідності якомога ближче до нуля та мінімізація поверхневої рекомбінації та густини дефектів.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

A. A. F. Husain, W. Z. W. Hasan, S. Shafie, M. N. Hamidon, and S. S. Pandey, “A review of transparent solar photovoltaic technologies,” 2018. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.06.031

Sadanand, P. K. Singh, S. Rai, P. Lohia, and D. K. Dwivedi, “Comparative study of the CZTS, CuSbS2 and CuSbSe2 solar photovoltaic cell with an earth-abundant non-toxic buffer layer,” Solar Energy, vol. 222, 2021, https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.05.013

S. Rühle, “Tabulated values of the Shockley-Queisser limit for single junction solar cells,” Solar Energy, vol. 130, 2016, https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.02.015

A. Mavlonov et al., “A review of Sb2Se3 photovoltaic absorber materials and thin-film solar cells,” 2020. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.03.009

C. Chen et al., “Characterization of basic physical properties of Sb2Se3 and its relevance for photovoltaics,” Frontiers of Optoelectronics, vol. 10, no. 1, 2017, https://doi.org/10.1007/s12200-017-0702-z

X. Wen et al., “Vapor transport deposition of antimony selenide thin film solar cells with 7.6% efficiency,” Nat. Commun., vol. 9, no. 1, 2018, https://doi.org/10.1038/s41467-018-04634-6

Zhiqiang Li, “9.2%-efficient core-shell structured anti mony selenide nanorod array solar cells,” Nat. Commun., vol. 10, no. 1, Jan. 2019. https://doi.org/10.1038/s41467-018-07903-6

H. Ning et al., “Enhancing the efficiency of Sb2Se3 solar cells using dual-functional potassium doping,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 221, 2021, https://doi.org/10.1016/j.solmat.2020.110816

J. Lin et al., “Crystallographic orientation control and defect passivation for high-efficient antimony selenide thin-film solar cells,” Materials Today Physics, vol. 27, 2022, https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100772

Rong Tang, “Heterojunction annealing enabling record open-circuit voltage in antimony triselenide solar cells,” advanced materials, vol. 34, no. 14, Feb. 2022. DOI:10.1002/adma.202109078

L. yan Lin, L. qin Jiang, Y. Qiu, and B. dian Fan, “Analysis of Sb2Se3/CdS based photovoltaic cell: A numerical simulation approach,” Journal of Physics and Chemistry of Solids, vol. 122, 2018, https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2018.05.045

F. Baig, Y. H. Khattak, S. Beg, and B. M. Soucase, “Numerical analysis of a novel CNT/Cu2O/Sb2Se3/In2S3/ITO antimony selenide solar cell,” Optik (Stuttg)., vol. 197, 2019, https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.163107

Y. Chen et al., “Importance of interfacial passivation in the high efficiency of Sb2Se3 thin-film solar cells: Numerical evidence,” ACS Appl. Energy Mater., vol. 3, no. 11, 2020, https://doi.org/10.1021/acsaem.0c01203

S. R. Al Ahmed, A. Sunny, and S. Rahman, “Performance enhancement of Sb2Se3 solar cell using a back surface field layer: A numerical simulation approach,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 221, 2021, https://doi.org/10.1016/j.solmat.2020.110919

S. Abbas et al., “Numerical Simulation of the Performance of Sb2Se3 Solar Cell via Optimizing the Optoelectronic Properties Based SCAPS-1D,” Materials, vol. 15, no. 18, 2022, https://doi.org/10.3390/ma15186272

A. El Khalfi, L. Et-Taya, Y. Achenani, M. Sahal, L. Elmaimouni, and A. Benami, “Performance Evaluation of Sb2Se3-based Solar Photovoltaic Cells with Various ETL and Cu2O as HTL by SCAPS-1D,” Karbala International Journal of Modern Science, vol. 9, no. 3, 2023, https://doi.org/10.33640/2405-609X.3303

B. Sultana, A. T. M. S. Islam, M. D. Haque, and A. Kuddus, “Cu2O-Enhanced Back Surface Field Empowers Selenium-Based TiO2/ Sb2Se3 Thin Film Solar Cells to Achieve Efficiency over 32%,” Applied Solar Energy (English translation of Geliotekhnika), vol. 59, no. 6, 2023, https://doi.org/10.3103/S0003701X23601515

N. W. Tideswell, F. H. Kruse, and J. D. McCullough, “The crystal structure of antimony selenide, Sb2Se3,” Acta Crystallogr., vol. 10, no. 2, 1957, https://doi.org/10.1107/s0365110x57000298

K. Li et al., “One-Dimensional Sb2Se3 Enabling Ultra-Flexible Solar Cells and Mini-Modules for IoT Applications,” Nano Energy, vol. 86, p. 106101, May 2021, https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106101

K. Momma and F. Izumi, “VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data,” J. Appl. Crystallogr., vol. 44, no. 6, 2011, https://doi.org/10.1107/S0021889811038970

Y. Yan et al., “Physics of grain boundaries in polycrystalline photovoltaic semiconductors,” in Journal of Applied Physics, 2015. https://doi.org/10.1063/1.4913833

B. Zhang and X. Qian, “Competing Superior Electronic Structure and Complex Defect Chemistry in Quasi-One-Dimensional Antimony Chalcogenide Photovoltaic Absorbers,” ACS Appl. Energy Mater., vol. 5, no. 1, 2022, https://doi.org/10.1021/acsaem.1c03023

J. Ramanujam and U. P. Singh, “Copper indium gallium selenide based solar cells - A review,” 2017. https://doi.org/10.1039/c7ee00826k

Mamta, R. Kumari, C. Yadav, R. Kumar, K. K. Maurya, and V. N. Singh, “Thermally Deposited Sb2Se3/CdS-Based Solar Cell: Experimental and Theoretical Analysis,” Nanomaterials, vol. 13, no. 6, 2023, https://doi.org/10.3390/nano13061135

A. Shaker, M. S. Salem, and K. Deepthi Jayan, “Analysis and design of p-n homojunction Sb2Se3 solar cells by numerical simulation,” Solar Energy, vol. 242, 2022, https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.07.035

R. Kumari, M. Mamta, R. Kumar, Y. Singh, and V. N. Singh, “24% Efficient, Simple ZnSe/ Sb2Se3 Heterojunction Solar Cell: An Analysis of PV Characteristics and Defects,” ACS Omega, vol. 8, no. 1, 2023, https://doi.org/10.1021/acsomega.2c07211

B. Srinivas, S. Babujani, G. H. Chandra, Y. P. V. Subbaiah, and M. Gupta, “Synthesis and characterization of Cu-sandwiched Sb2Se3 thin films and numerical simulation of p- Sb2Se3/n-ZnSe heterojunction solar cell,” Opt. Mater. (Amst)., vol. 135, 2023, https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.113289

C. H. Don et al., “Sb 5s2lone pairs and band alignment of Sb2Se3: a photoemission and density functional theory study,” J. Mater. Chem. C Mater., vol. 8, no. 36, 2020, https://doi.org/10.1039/d0tc03470c

F. B. Sultana, “A new design and optimization of SnSe-based dual absorber solar cell with efficiency above 28%,” Journal of Nanoparticle Research, vol. 26, no. 8, Aug. 2024. https://doi.org/10.1007/s11051-024-06085-1

S. H. Liu, J. R. Yuan, Y. Wu, X. H. Deng, and Q. M. Yu, “Numerical simulation of Sb2Se3-based solar cells,” Chalcogenide Letters, vol. 21, no. 3, 2024, https://doi.org/10.15251/CL.2024.213.229

M. S. Aljuboori, “Enhancing Photoconversion Efficiency by Optimization of Electron/Hole Transport Interlayers in Antimony Sulfide Solar Cell using SCAPS-1D Simulation,” Solar Energy and Sustainable Development, vol. 13, no. 1, pp. 97–113, Jun. 2024. https://doi.org/10.51646/jsesd.v13i1.175

M. F. Rahman, A. Lubaba, L. Ben Farhat, S. Ezzine, M. H. Rahman, and M. Harun-Or-Rashid, “Efficiency enhancement above 31 % of Sb2Se3 solar cells with optimizing various BSF layer,” Materials Science and Engineering: B, vol. 307, Sep. 2024, https://doi.org/10.1016/j.mseb.2024.117527

Mamta, K. K. Maurya, and V. N. Singh, “Efficient Sb2Se3 solar cell with a higher fill factor: A theoretical approach based on thickness and temperature,” Solar Energy, vol. 230, 2021, https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.11.002

Mamta, K. K. Maurya, and V. N. Singh, “Enhancing the performance of a Sb2Se3-based solar cell by dual buffer layer,” Sustainability (Switzerland), vol. 13, no. 21, 2021, https://doi.org/10.3390/su132112320

A. Ait Abdelkadir, M. Sahal, E. Oublal, N. Kumar, and A. Benami, “New Sb2Se3-based solar cell for achieving high efficiency theoretical modeling,” Opt. Quantum Electron., vol. 55, no. 6, 2023, https://doi.org/10.1007/s11082-023-04797-7

Z. Dahmardeh and M. Saadat, “Exploring the potential of standalone and tandem solar cells with Sb2S3 and Sb2Se3 absorbers: a simulation study,” Sci. Rep., vol. 13, no. 1, 2023, https://doi.org/10.1038/s41598-023-49269-w

S. S. Bal, A. Basak, and U. P. Singh, “Numerical modeling and performance analysis of Sb-based tandem solar cell structure using SCAPS – 1D,” Opt. Mater. (Amst)., vol. 127, 2022, https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112282

M. Mehrabian, “Numerical optimization of cesium tin-germanium triiodide/antimony selenide perovskite solar cell with fullerene nanolayer,” Journal of Physics and Chemistry of Solids, vol. 196, Jan. 2025. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2024.112370

M. Belarbi, “Numerical analysis of performance enhancement in KSnI3-based perovskite solar cells with Sb2Se3 as a hole transport layer,” Materials Science and Engineering: B, vol. 313, Mar. 2025. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2024.117874

A. f Ashfaq, “High-efficiency selenium and sulfurbased p- Sb2Se3/n-BaZrS3 heterostructure solar cells: A SCAPS-1D simulation study,” Journal of Physics and Chemistry of Solids, vol. 199, Apr. 2025. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2024.112490

Jing Wu, Zhengyang Zhao, Zimeng Zhao, Min Zhang, Yuying Bi, Xibin Li, Linrui Zhang, “Simulation Analysis of Sb2Se3 Narrow Bandgap Hole Transport Layer in MAPbI3 Perovskite Solar Cells,” Metals & Materials Society, Mar. 2025. https://doi.org/10.1007/s11664-025-11886-8

Опубліковано
2026-09-07
Цитовано
Як цитувати
Кучкаров, К., Ергашев, Б., Юлдошов, Р., Пірімматов, М., Хуррамов, Р., Ісаков, Д., Махмудов, М., Бобомурадов, Ш., Матмуратов, А., & Ешкораєв, А. (2026). Моделювання та оптимізаційна валідація тонкоплівкових сонячних елементів Sb₂Se₃ у програмному забезпеченні SCAPS-1D. Східно-європейський фізичний журнал, (3), 402-414. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-3-37
Номер
№ 3 (2026): Східно-європейський фізичний журнал
Розділ
Статті

Авторське право (c) 2026 К.М. Кучкаров, Б.А. Ергашев, Р.Т. Юлдошов, М.П. Пірімматов, Р.Р. Хуррамов, Д.З. Ісаков, М.А. Махмудов, Ш.М. Бобомурадов, А.С. Матмуратов, А.І. Ешкораєв

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).