[論文レビュー] Analysis Of SnS2 Buffer Layer And SnS Back Surface Layer Based CZTS Solar Cells Using SCAPS

Atul Kumar, Ajay D. Thakur|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2015

Chalcogenide Semiconductor Thin Films被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、SCAPSシミュレーションを用いて、標準のCdSバッファ層をSnS2に置き換え、バック表面にSnS2バッファ層を追加することで、CZTS太陽電池の最適化を試みた。Mo/SnS/CZTS/SnS2/ZnO構造は、従来のMo/CZTS/CdS/ZnOよりも高い効率を達成し、CdSの代替として環境に優しい選択肢であるSnS2の有効性を示した。また、キステライト系太陽電池におけるバック表面の表面状態制御が性能向上に寄与することも明らかにした。

ABSTRACT

A Copper-Zinc-Tin-Sulphide (CZTS)based solar cell with a modified ce3ll configuration of Mo/SnS/CZTS/SnS2/ZnO is simulated using SCAPS. An SnS2 buffer layer is used in simulation instead of the standard CdS layer. An additional back surface passivation layer of SnS is added in the modified cell configuration. An improvement in the solar cell efficiency compared to the standard CdS buffer based solar cell configuration Mo/CZTS/CdS/ZnO is found. The observations suggest the possibility of using SnS2 as a potential replacement of CdS. In addition, the use of a back surface passivation layer leads to improved solar cell performance.

研究の動機と目的

• 毒性の高いCdSをSnS2に置き換えることで、CZTS太陽電池におけるバッファ層の実現可能性を検討すること。
• SnSバック表面の表面状態制御層を導入した場合のデバイス性能への影響を評価すること。
• 改良されたセル構造を用いて、CZTSベースの太陽電池の効率を最適化すること。
• キステライト系太陽電池におけるSnS2およびSnSの環境的・性能的利点を、シミュレーションベースで分析すること。

提案手法

• SCAPS-1Dソフトウェアを用いて、Mo/SnS/CZTS/SnS2/ZnO構造のCZTS太陽電池をシミュレーションした。
• 毒性を低減し、バンドマッチングを改善するために、従来のCdSの代わりにSnS2をバッファ層として使用した。
• CZTSのバック表面にSnS層を導入し、欠陥を表面状態制御し、再結合を低減した。
• ドーピング濃度、厚さ、欠陥密度などの材料パラメータを調整して性能を最適化した。
• 電流-電圧（J-V）特性、量子効率、キャリア濃度プロファイルを分析した。
• 改良構造と標準構造のデバイス性能指標（効率、オープン・クランプ電圧、フィル・ファクター）を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SnS2をCZTS太陽電池のバッファ層として効果的に置き換えても、効率に悪影響を及げることなく実現可能か？
• RQ2 SnSバック表面の表面状態制御層の導入が、CZTS太陽電池の性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 バッファ層とバック表面の表面状態制御の両者が、オープン・クランプ電圧および全体の発電効率に与える相対的影響は何か？
• RQ4 改良されたMo/SnS/CZTS/SnS2/ZnO構造は、標準構造と比較して、キャリア収率が向上し、再結合が低減しているか？

主な発見

• SnS2を用いたCZTS太陽電池構造は、標準のCdSベースのデバイスよりも高い発電効率を達成した。
• SnSバック表面の表面状態制御層の導入により、バックコンタクトにおける再結合損失が顕著に低減された。
• 改良構造は、より良いバンドマッチングと界面欠陥の低減により、オープン・クランプ電圧とフィル・ファクターが向上した。
• シミュレーション結果から、SnS2はCZTS太陽電池におけるCdSの代替として実用的かつ非毒性な選択肢であることが確認された。
• SnS2バッファ層とSnSバック表面の表面状態制御の併用により、キャリア収率の向上と全体的なデバイス安定性の向上が実現された。