[논문 리뷰] 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)|2018. 01. 25.

Chalcogenide Semiconductor Thin Films참고 문헌 13인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 1D SCAPS-1D 시뮬레이션을 사용하여 CZT(S,Se) 단일 접합 및 CZTS/CZTSe 태양전지 투어셀 구조를 최적화한다. 여기서는 흡수층 두께, 도핑 농도, 결함 농도를 변화시킨다. 전류 매칭 및 평탄한 밴드 조건 하에서 투어셀 구조는 최대 효율 21.7%를 달성하며, 단락 전류 밀도는 약 20.98 mA/cm², 개방 전압은 약 1.324 V이다.

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.

연구 동기 및 목표

• CZT(S,Se) 흡수층 재료가 고효율 광전지 장치에 잠재력을 지니는지 조사하기 위해.
• 단일 접합 CZT(S,Se) 태양전지의 최적 재료 파rameter(두께, 도핑, 결함 농도 등)를 규명하기 위해.
• 전류 출력이 매칭된 双접합 CZTS/CZTSe 투어셀 태양전지 구조를 설계하고 시뮬레이션하기 위해.
• 인터페이스 평탄한 밴드 조건이 투어셀 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• CZT(S,Se) 기반 태양전지의 이론적 최상한 효율 한계를 탐색하여 22%에 도달하고자 하는 목표를 위해.

제안 방법

• SCAPS-1D 소프트웨어 패키지를 사용한 단일 접합 CZT(S,Se) 태양전지의 수치 시뮬레이션.
• 흡수층과의 이방성 접합 인터페이스에 n-CdS/ZnO 이중 버퍼 층을 적용.
• 장치 성능을 최적화하기 위해 흡수층 두께, 운반체 농도, 결함 농도를 체계적으로 변화시킴.
• CZTS를 상부 셀로, CZTSe를 하부 셀로 사용한 이중 접합 투어셀 구조를 구현.
• 이종접합면에서 평탄한 밴드 조건을 적용하여 최적의 밴드 정렬을 확보하고 재결합을 최소화.
• 최대 달성 가능한 효율을 결정하기 위해 상부 및 하부 서브셀 간의 전류 매칭을 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최적화된 재료 파rameter 조건 하에서 단일 접합 CZT(S,Se) 태양전지가 달성할 수 있는 최대 효율은 무엇인가?
• RQ2 CZTS 및 CZTSe 흡수층이 조합된 투어셀 구조는 전류 매칭과 전체 효율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 투어셀 구조에서 전류 매칭을 위한 CZTS 상부 셀과 CZTSe 하부 셀의 최적 두께는 무엇인가?
• RQ4 인터페이스에서 평탄한 밴드 조건을 유지할 경우 투어셀의 개방 전압과 효율은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 이deal한 재료 및 구조 조건 하에서 CZT(S,Se) 기반 투어셀 태양전지는 22%에 가까운 효율에 도달할 수 있는가?

주요 결과

• 최적화된 단일 접합 CZTSe 태양전지는 이상 조건에서 최대 21.7%의 효율을 달성한다.
• 211.33 nm 두께의 CZTS 상부 셀과 2000 nm 두께의 CZTSe 하부 셀을 가진 투어셀 구조는 약 20.98 mA/cm²의 단락 전류 밀도를 보인다.
• 전류 매칭 및 평탄한 밴드 조건 하에서 투어셀은 약 1.324 V의 개방 전압을 나타낸다.
• 양 서브셀이 전류 매칭된 상태에서 투어셀의 최대 전력 변환 효율은 약 21.7%에 도달한다.
• 결함 농도와 운반체 농도는 성능에 크게 영향을 미치며, 최적 값은 효율 향상에 기여한다.
• 시뮬레이션은 CZT(S,Se) 투어셀이 이상적인 설계 및 재료 파rameter 조건 하에서 22%에 가까운 효율에 도달할 수 있음을 확인한다.