[论文解读] 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 14

一句话总结

本研究利用1D SCAPS-1D模拟优化单结CZT(S,Se)及CZTS/CZTSe叠层太阳能电池，调整吸收层厚度、掺杂浓度和缺陷密度。在电流匹配与零偏压界面条件下，叠层结构的峰值效率达21.7%，短路电流密度约为20.98 mA/cm²，开路电压约为1.324 V。

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.

研究动机与目标

• 研究CZT(S,Se)吸收层材料在高效光伏器件中的潜力。
• 识别单结CZT(S,Se)太阳能电池在厚度、掺杂浓度和缺陷密度等方面的最优材料参数。
• 设计并模拟具有匹配电流输出的双结CZTS/CZTSe叠层太阳能电池结构。
• 评估界面零偏压条件对叠层电池性能的影响。
• 探索基于CZT(S,Se)的太阳能电池理论效率上限，目标为22%。

提出的方法

• 使用SCAPS-1D软件包对单结CZT(S,Se)太阳能电池进行数值模拟。
• 在吸收层与异质结界面处采用n-CdS/ZnO双缓冲层。
• 系统性地改变吸收层厚度、载流子浓度和缺陷密度，以优化器件性能。
• 构建以CZTS为顶电池、CZTSe为底电池的双结叠层电池结构。
• 在异质结界面应用零偏压条件，以确保能带对齐最优并最小化复合损失。
• 通过顶电池与底电池之间的电流匹配，确定可实现的最大效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在最优材料参数条件下，单结CZT(S,Se)太阳能电池的最大可实现效率是多少？
• RQ2 CZTS与CZTSe吸收层构成的叠层结构如何影响电流匹配与整体效率？
• RQ3 在叠层结构中，CZTS顶电池与CZTSe底电池的最优厚度分别是多少，以实现电流匹配？
• RQ4 在界面维持零偏压条件时，对叠层电池的开路电压和效率有何影响？
• RQ5 在理想材料与结构条件下，基于CZT(S,Se)的叠层太阳能电池能否实现接近22%的效率？

主要发现

• 在理想条件下，优化后的单结CZTSe太阳能电池最大效率可达21.7%。
• 采用211.33 nm厚CZTS顶电池与2000 nm厚CZTSe底电池的叠层结构，短路电流密度约为20.98 mA/cm²。
• 在电流匹配与零偏压界面条件下，叠层电池的开路电压约为1.324 V。
• 当两个子电池均实现电流匹配时，叠层电池的最大功率转换效率可达约21.7%。
• 缺陷密度与载流子浓度显著影响器件性能，最优值可提升效率。
• 模拟结果证实，在理想设计与材料参数下，CZT(S,Se)叠层电池可实现接近22%的效率。