[論文レビュー] Simulation of the Efficiency of CdS/CdTe Tandem Multi-Junction Solar Cells

Ashrafalsadat S. Mirkamali, Khikmat Kh. Muminov|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2016

Chalcogenide Semiconductor Thin Films参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、AMPS-1Dソフトウェアを用いてCdS/CdTeタンドムマルチジャンクション太陽電池のシミュレーションを行い、効率の最適化を試みた。吸収層およびウインドウ層の厚さを変化させた結果、最適化されたCdS p層（50 nm）、CdS n層（200 nm）、CdTe n層（3000 nm）、CdTe p層（1000 nm）を有するバック・トゥ・バックタンドム構造において、ピーク効率31.8％を達成した。これは単接合基準セルの18.3％を著しく上回る。

ABSTRACT

In this paper we study CdS/CdTe solar cells by means of AMPS-1D software. First we study the effect of thickness of semiconductor layers on the output parameters of the CdS/CdTe solar cell, such as density of short-circuit current, open circuit voltage, fill factor and efficiency. Numerical simulation shows that the highest efficiency of single-junction CdS/CdTe solar cell equal to 18.3% is achieved when the CdTe layer thickness is 1000 nm and a CdS layer is 60 nm. Then, in order to obtain the maximal value of the efficiency, new tandem multi-junction structure consisting of layers of two solar cells connected with each other back to back are designed and engineered taking into account the results obtained for the single-junction solar cells. Numerical simulations show that its highest efficiency in 31.8% can be obtained when the thickness of CdS p-layer is equal to 50 nm, and the thickness of the CdS n-layer is equal to 200 nm, while thicknesses of the CdTe n-layer and CdTe p-layer are kept fixed and equal to 3000 nm and 1000 nm, respectively.

研究の動機と目的

• 単接合CdS/CdTe太陽電池の性能に与える層厚さの影響を調査すること。
• 2つのCdS/CdTeセルをバック・トゥ・バック接続することでタンドムマルチジャンクション構造を設計・シミュレーションすること。
• タンドム構造におけるCdSおよびCdTe層の厚さを最適化することで、電力変換効率を最大化すること。
• タンドム構造で最高効率を達成する最適な層厚みを特定すること。

提案手法

• AMPS-1Dソフトウェアプラットフォームを用いたCdS/CdTe太陽電池の数値シミュレーション。
• CdSおよびCdTe層の厚さを系統的に変化させ、その出力パラメータへの影響を分析すること。
• 2つのCdS/CdTeセルを組み合わせたバック・トゥ・バックタンドム構造の設計により、スペクトル吸収を向上させること。
• 単接合シミュレーションの結果を基盤として、タンドム構造の最適化を実施すること。
• 電流-電圧（I-V）特性、量子効率、キャリア輸送のシミュレーションにより、性能を評価すること。
• 短絡電流、オープン・クランプ電圧、充填率、効率などの出力パラメータに基づき、層厚みを最適化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単接合CdS/CdTe太陽電池の効率を最大化するためのCdSおよびCdTe層の最適厚さは何か？
• RQ2 タンドムマルチジャンクション構造は単接合構造と比較して、どのように効率を向上させるか？
• RQ3 タンドム構造において、どの特定の層厚みが最高の電力変換効率をもたらすか？
• RQ4 CdSおよびCdTeのp型およびn型ドーピング層は、タンドム構造における全体的なデバイス性能にどのように寄与するか？
• RQ5 標準的なAM1.5G照明下で、CdS/CdTeバック・トゥ・バックタンドム太陽電池の理論的最高効率は何か？

主な発見

• 単接合CdS/CdTe太陽電池は、CdTe層の厚さが1000 nm、CdS層の厚さが60 nmのときに最大で18.3％の効率を達成した。
• タンドムマルチジャンクション構造は、最適化された層厚みのもとでピーク効率31.8％を達成した。
• 最適なタンドム構造は、50 nmのCdS p層、200 nmのCdS n層、3000 nmのCdTe n層、1000 nmのCdTe p層を有する。
• タンドム構造において、CdTe n層の厚さは3000 nmに固定され、CdTe p層は1000 nmに固定されており、性能に重要な役割を果たしていることが示された。
• CdS n層の厚さ200 nmは、タンドム構造における電流収集を顕著に向上させた。
• シミュレーションにより、タンドム統合が有効にスペクトル応答を広げ、全体のエネルギー変換効率を向上させることを確認した。