[論文レビュー] Simulation studies of CZT(S,Se) single and tandem junction solar cells towards possibilities for higher efficiencies up to 22%

Goutam Kumar Gupta, Ambesh Dixit|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2018

Chalcogenide Semiconductor Thin Films参考文献 13被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、1次元SCAPS-1Dシミュレーションを用いて、CZT(S,Se)単接合およびCZTS/CZTSeタンドム太陽電池の最適化を実施し、吸収層の厚さ、ドーピング、欠际密度を変化させた。タンドム構造は、電流マッチングおよびフラットバンド条件のもとで21.7%のピーク効率を達成し、短絡電流密度は約20.98 mA/cm²、オープン・クランプ電圧は約1.324 Vであった。

ABSTRACT

We simulated photovoltaic characteristics of single heterojunction solar cell with Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSnSe4 absorber layer numerically using one dimensional solar cell capacitance simulator (SCAPS-1D). n-CdS/ZnO double buffer layer is used for hetrostructure interfaces with the absorber layer. The cell performance is investigated against variation of different material layer properties such as thickness, carrier concentration, defect density etc. The performance is optimized first for the single junction solar cell with Mo as back contact material with work function 5 eV. A double junction CZTS/CZTSe tandem cell structure is realized keeping the same material properties as is used in the single CZTS and CZTSe solar cell simulation and considering the flat band condition at the interface. Tandem cell performance is determined after matching the current condition for top and bottom sub-cells. The CZTS/CZTSe short circuit current density is ~ 20.98 mA/cm2 for current matched 211.33 nm thick CZTS top cell in conjunction with 2000 nm bottom cell. The maximum efficiency obtained under the flat band condition at the contact is ~21.7% with open circuit voltage ~1.324 V.

研究の動機と目的

• CZT(S,Se)吸収層材料が高効率光電変換素子に有する可能性を調査すること。
• 単接合CZT(S,Se)太陽電池の最適な材料パラメータ（厚さ、ドーピング、欠际密度）を同定すること。
• 電流出力がマッチングされた二重接合CZTS/CZTSeタンドム太陽電池構造の設計およびシミュレーションを行うこと。
• 界面のフラットバンド条件がタンドムセル性能に与える影響を評価すること。
• CZT(S,Se)ベースの太陽電池の理論的上限効率を探索し、22%に近づくことを目指すこと。

提案手法

• SCAPS-1Dソフトウェアパッケージを用いた単接合CZT(S,Se)太陽電池の数値シミュレーション。
• 吸収層とのヘテロジャンクション界面にn-CdS/ZnO二重バッファ層を採用。
• デバイス性能の最適化を図るため、吸収層の厚さ、キャリア濃度、欠际密度を体系的に変化。
• CZTSをトップセル、CZTSeをボトムセルとする二重接合タンドムセル構造を実装。
• 再結合を最小限に抑えるため、ヘテロインターフェースでのバンド整列を最適化するためのフラットバンド条件を適用。
• 最大達成効率を特定するため、トップセルとボトムセル間の電流マッチングを実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適化された材料パラメータのもとで、単接合CZT(S,Se)太陽電池が達成可能な最大効率は何か？
• RQ2 CZTSおよびCZTSe吸収層を用いたタンドム構造は、電流マッチングと総合的効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 タンドゥム構造における電流マッチングを実現するためのCZTSトップセルおよびCZTSeボトムセルの最適厚さは何か？
• RQ4 界面でフラットバンド条件を維持することは、タンドゥムセルのオープン・クランプ電圧および効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 理想的な材料および構造的条件下で、CZT(S,Se)ベースのタンドゥム太陽電池は22%に近い効率に達成可能か？

主な発見

• 最適化された単接合CZTSe太陽電池は、理想条件下で最大21.7%の効率を達成した。
• 211.33 nmのCZTSトップセルと2000 nmのCZTSeボトムセルを有するタンドゥムセルは、短絡電流密度約20.98 mA/cm²を示した。
• 電流マッチングおよびフラットバンド条件のもとで、タンドゥムセルのオープン・クランプ電圧は約1.324 Vであった。
• 両セルが電流マッチングされた場合、タンドゥムセルの最大出力変換効率は約21.7%に達した。
• 欠际密度およびキャリア濃度は性能に顕著な影響を及ぼし、最適な値が効率の向上に寄与した。
• シミュレーションにより、CZT(S,Se)タンドゥムセルが理想的な設計および材料パラメータのもとで22%に近い効率に達することが確認された。