[논문 리뷰] Simulation of the Efficiency of CdS/CdTe Tandem Multi-Junction Solar Cells

Ashrafalsadat S. Mirkamali, Khikmat Kh. Muminov|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 04.

Chalcogenide Semiconductor Thin Films참고 문헌 11인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 AMPS-1D 소프트웨어를 사용하여 CdS/CdTe 투합 다중 접합 태양전지의 시뮬레이션을 수행하여 효율을 최적화한다. 흡수층 및 윈도우 층 두께를 변화시킴으로써, 최적화된 CdS p층(50 nm), CdS n층(200 nm), CdTe n층(3000 nm), CdTe p층(1000 nm)을 갖는 백-투-백 투합 구조에서 최고 효율 31.8%를 달성하였으며, 이는 단일 접합 기준 세포의 18.3% 효율을 크게 초월한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 접합 CdS/CdTe 태양전지의 성능에 미치는 층 두께의 영향을 조사하기 위해.
• 두 개의 CdS/CdTe 세포를 백-투-백으로 연결하여 투합 다중 접합 구조를 설계하고 시뮬레이션하기 위해.
• 투합 구조에서 CdS 및 CdTe 층 두께를 최적화하여 전력 변환 효율을 최대화하기 위해.
• 투합 구조에서 최고 효율을 얻는 데 기여하는 최적의 층 두께를 규명하기 위해.

제안 방법

• AMPS-1D 소프트웨어 플랫폼를 사용한 CdS/CdTe 태양전지의 수치적 시뮬레이션.
• CdS 및 CdTe 층 두께를 체계적으로 변화시켜 핵심 출력 매개변수에 미치는 영향 분석하기.
• 스펙트럼 흡수를 향상시키기 위해 두 개의 CdS/CdTe 세포를 백-투-백으로 조합한 투합 구조 설계하기.
• 단일 접합 시뮬레이션 결과를 바탕으로 투합 구조 최적화 수행하기.
• 성능 평가를 위해 전류-전압(I-V) 특성, 양자 효율, 반입자 이동 시뮬레이션 수행하기.
• 단절 전류, 개방 전압, 전면 계수 및 효율을 포함한 출력 매개변수를 기반으로 층 두께 최적화 수행하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 접합 CdS/CdTe 태양전지의 효율을 최대화하기 위해 최적의 CdS 및 CdTe 층 두께는 얼마인가요?
• RQ2 투합 다중 접합 구조는 단일 접합 구조에 비해 효율을 어떻게 향상시키나요?
• RQ3 투합 구조에서 어떤 특정 층 두께가 최고의 전력 변환 효율을 제공합니까?
• RQ4 CdS 및 CdTe의 p형 및 n형 Dopant 층은 투합 구조에서 전체 장치 성능에 어떻게 기여합니까?
• RQ5 표준 AM1.5G 조명 조건 하에서 CdS/CdTe 백-투-백 투합 태양전지에서 이론적으로 달성 가능한 최대 효율은 얼마입니까?

주요 결과

• 단일 접합 CdS/CdTe 태양전지는 CdTe 층 두께 1000 nm와 CdS 층 두께 60 nm 조건에서 최대 효율 18.3%를 달성한다.
• 투합 다중 접합 구조는 최적화된 층 두께 조건에서 최고 효율 31.8%를 달성한다.
• 최적의 투합 구조는 50 nm의 CdS p층, 200 nm의 CdS n층, 3000 nm의 CdTe n층, 1000 nm의 CdTe p층을 포함한다.
• 투합 구조에서 CdTe n층 두께는 3000 nm로 고정되고, CdTe p층은 1000 nm로 고정되어 있어 성능에서 핵심적인 역할을 한다는 것을 시사한다.
• CdS n층 두께 200 nm는 투합 구조에서 전류 수집을 크게 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과는 투합 통합이 스펙트럼 반응을 효과적으로 넓히고 전체 에너지 변환 효율을 향상시킨다는 것을 확인한다.