[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究利用 AMPS-1D 软件模拟 CdS/CdTe 倒置多结太阳能电池，以优化其效率。通过改变吸收层和窗口层的厚度，研究在背对背连接的双结结构中实现了 31.8% 的峰值效率，对应优化的 CdS p 层（50 nm）、CdS n 层（200 nm）、CdTe n 层（3000 nm）和 CdTe p 层（1000 nm），显著超过单结参考电池的 18.3% 效率。

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.

研究动机与目标

• 研究层厚度对单结 CdS/CdTe 太阳能电池性能的影响。
• 通过背对背连接两个 CdS/CdTe 电池，设计并模拟双结多结结构。
• 通过优化双结结构中 CdS 和 CdTe 层的厚度，最大化功率转换效率。
• 识别在双结结构中实现最高效率的最优层厚度。

提出的方法

• 使用 AMPS-1D 软件平台对 CdS/CdTe 太阳能电池进行数值模拟。
• 系统性地改变 CdS 和 CdTe 层厚度，分析其对关键输出参数的影响。
• 设计背对背双结结构，将两个 CdS/CdTe 电池结合，以增强光谱吸收。
• 以单结模拟结果为基础，优化双结结构。
• 模拟电流-电压（I-V）特性、量子效率和载流子输运，以评估性能。
• 基于短路电流、开路电压、填充因子和效率等输出参数，优化层厚度。

实验结果

研究问题

• RQ1 为最大化单结 CdS/CdTe 太阳能电池的效率，CdS 和 CdTe 层的最优厚度是多少？
• RQ2 与单结结构相比，双结多结结构如何提升效率？
• RQ3 双结结构中哪些特定层厚度可实现最高的功率转换效率？
• RQ4 CdS 和 CdTe 的 p 型和 n 型掺杂层在双结结构中的整体器件性能中起到何种作用？
• RQ5 在标准 AM1.5G 照明条件下，CdS/CdTe 背对背双结太阳能电池的理论最大效率是多少？

主要发现

• 单结 CdS/CdTe 太阳能电池在 CdTe 层厚度为 1000 nm、CdS 层厚度为 60 nm 时，最大效率达到 18.3%。
• 在优化的层厚度下，双结多结结构实现了 31.8% 的峰值效率。
• 最优双结结构包含 50 nm 的 CdS p 层、200 nm 的 CdS n 层、3000 nm 的 CdTe n 层和 1000 nm 的 CdTe p 层。
• 在双结结构中，CdTe n 层厚度固定为 3000 nm，CdTe p 层厚度固定为 1000 nm，表明其在性能中起关键作用。
• CdS n 层厚度为 200 nm 显著增强了双结结构中的电流收集能力。
• 模拟结果证实，双结集成可有效拓宽光谱响应并提高整体能量转换效率。