Численная оценка оптоэлектрических свойств ZnSe

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 12193 (2023) Цитировать эту статью

В данной работе с использованием программы моделирования PC1D была проведена численная оценка оптоэлектрических свойств гетероперехода ZnO–ZnSe–CdSe для тонкого и экономичного солнечного элемента. Фотоэлектрические (PV) свойства были оптимизированы за счет различной толщины поглотительного слоя p-CdSe, оконного слоя n-ZnSe и слоя просветляющего покрытия (ARC) из ZnO, прозрачного проводящего оксида с улучшенным улавливанием света. и широкозонная инженерия. Существует положительное смещение зоны проводимости (CBO) ΔEc = 0,25 эВ и отрицательное смещение валентной зоны (VBO) ΔEv = 1,2 - 2,16 = - 0,96 эВ. Положительный CBO предотвращает поток электронов из слоя CdSe в слой ZnSe. Кроме того, было проанализировано влияние концентрации легирующих добавок на характеристики солнечных элементов. Результаты моделирования показывают увеличение эффективности солнечных элементов за счет добавления ARC. Быстрое и резкое увеличение эффективности при толщине оконного слоя более 80 нм интересно, необычно и нетрадиционно из-за совместного влияния морфологии и электроники на макро- и микроуровне. Тонкопленочный солнечный элемент со структурой ZnO/ZnSe/CdSe показал высокий КПД 11,98% при токе короткого замыкания (Isc) = 1,72 А, напряжении холостого хода (Voc) = 0,81 В и коэффициенте заполнения (FF). = 90,8% при оптимизированной толщине поглотительного слоя 2 мкм, оконного слоя 50 нм и слоя ARC 78 нм. EQE солнечных элементов наблюдался на уровне около 90% на определенной длине волны 470 нм (диапазон видимого света). КПД такого тонкослойного солнечного элемента составляет около 12%, что вполне приемлемо.

С постепенным сокращением использования невозобновляемых источников энергии, таких как нефть, уголь и природный газ, чистая или возобновляемая энергия стала неизбежным спасителем человечества1,2,3. Солнечная энергия — отличный вариант экологически чистых и устойчивых ресурсов, который будет способствовать решению огромных проблем энергетического кризиса и экологических проблем4. Конструкция солнечного элемента выполнена таким образом, что оптическое выравнивание полос5 на гетеропереходе обеспечивает общую эффективность, стабильность и масштабируемость устройства. Точно так же разработка интерфейса и концентрация легирования играют свою роль в улучшении транспорта носителей и ограничении рекомбинационных потерь. Аналогичным образом, качество материала и примесей, поглощение света и управление фотонами сильно влияют на систему солнечных батарей. С другой стороны, стоимость используемого материала имеет большое значение в масштабном производстве. Таким образом, в центре внимания находятся последующие исследования рентабельного производства с точки зрения стоимости и количества используемого материала, которые обсуждались с 19826 года. Изготовление солнечных элементов с более тонким просветляющим покрытием (ARC), окном и поглотительным слоем является одним из подходов, которые существенно помогают в этом отношении.

В настоящее время полупроводниковые соединения II–VI (такие как CdSe, ZnSe и ZnTe) с более высокой стабильностью и прочностью считаются перспективными материалами с более высокими фотоэлектрическими характеристиками7. ZnSe сам по себе является гораздо более перспективным материалом для оконного слоя8 с высокой эффективностью и низкой стоимостью. CdSe и ZnSe обладают более высокой способностью поглощать фотоны в видимом диапазоне длин волн 400–750 нм9. CdSe имеет очень схожие характеристики с CdTe, а CdSe также имеет прямозонный полупроводник с высоким коэффициентом поглощения (α = 104 см-1 при 720 нм)10. Следовательно, солнечному элементу CdSe нужна только очень тонкая (~ 2 мкм) пленка для поглощения солнечного света и повышения эффективности преобразования энергии (PCE). ZnSe является нетоксичным материалом по сравнению с CdSe и имеет более высокий край зоны проводимости11. Кроме того, материал ZnSe фоточувствителен с более широкой запрещенной зоной, подходящей для светодиодов и лазеров12,13, с более широким диапазоном прозрачности для оконного слоя солнечных элементов14. Хотя он очень эффективен для солнечных элементов, кадмий является токсичным тяжелым металлом15 при длительном воздействии на окружающую среду, которое необходимо предотвратить от загрязнения. CdSe имеет ограниченную стабильность в присутствии влаги и кислорода, деградация которых влияет на производительность и срок службы солнечных элементов16. Значит, помимо стоимости и сложности в изготовлении, необходима еще и его инкапсуляция или защитное покрытие. Аналогично, смещение зон между ZnSe и CdSe может привести к потере фотогенерированных носителей из-за рекомбинации носителей17. Масштабное производство может оказаться сложной задачей для производства, требующего высококачественной техники осаждения с точным контролем от слоя к слою. Было проведено несколько исследований солнечных элементов на основе слоя поглотителя CdSe, например, были изучены изменения в структуре фотоанода TiO2 в солнечных элементах, сенсибилизированных CdS/CdSe, и предложен двухслойный фотоанод с 4,92% PCE с фотоактивной площадью 0,15 см218. К.С. и др. оптимизировала оконный слой ZnSe в сочетании со слоем поглотителя для солнечных элементов GaAs8. Фрезе и др. представила фотоэлектрохимический солнечный элемент CdSe с эффективностью преобразования 12,4% в щелочном электролите K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)619. Агмиёни и др. использовали слой PEDOT: PSS, легированный пентаценом, для инъекции дырок, и их оптоэлектрическое моделирование было изучено производительность гибридных солнечных элементов P3HT: CdSe. Было обнаружено, что работа выхода слоя снизилась с 5,1 до 4,9 эВ, в результате чего повысился КПД7. Дей и др. применил симулятор AMPS-1D вместе с поглотителем CdSe и буферным слоем ZnS n-типа и проанализировал толщину слоя, концентрацию легирования и температуру. Структура ITO/ZnS/CdSe с толщиной поглотителя 1,2 мкм имела PCE = 17,35%, Jsc = 13,82 мА/см2, Voc = 1,38 В и FF = 0,90820. Аналогично, Моника и др. изучили эффективность солнечных элементов CdS после сенсибилизации и пассивации. Гетеропереходы типа II с TiO2-CdS-CdSe показали удвоение переноса электронов на анод, что усиливает PCE21. Абдаламир и др. подготовил наночастицы ZnSe, используя металлические листы цинка и нитрат селена, и его основную ячейку с системой плазменной струи для оконного слоя солнечного элемента, и было обнаружено, что полученный n-ZnSe/p-Si имеет эффективность, настроенную от 0,89 до 2. % при времени пористости (5–20 мин)22.