Оптимізація сонячного елемента на основі телуриду кадмію шляхом внесення поглинаючого шару CdSeTe (моделювання гетероструктури)

Автор(и)

  • Григорій Архипович Ільчук Національний університет «Львівська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0002-6647-4343
  • Ігор Володимирович Семків Національний університет «Львівська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0003-3432-8779
  • Мар’яна Савівна Каркульовська Національний університет «Львівська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0002-1348-6148
  • Віталій Михайлович Ващинський Національний університет «Львівська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0002-6587-6957
  • Микола Володимирович Соловйов Національний університет «Львівська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0001-7678-4049

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.314234

Ключові слова:

сонячний елемент, SCAPS, тонкі плівки, гетероструктури, телурид кадмію, халькогенід кадмію

Анотація

Сонячні елементи на основі телуриду кадмію є одними із найпоширеніших пристроїв для фотоелектричних застосувань. Однак ефективність перет­ворення енергії цих елементів залишається недостатньо високою. Використо­вуючи програмне середовище SCAPS проведено дослідження та оптимізацію класичного тонкоплівкового сонячного елемента на основі CdTe. Структура цього елемента складалася з ITO в якості прозорого провідного контакту, шару сульфіду кадмію (CdS) і шару поглинача телуриду кадмію (CdTe) з металевим контактом. Для оптимізації такої конструкції з точки зору ефективності перетворення потужності, розглянуто вплив товщини та концентрації домішок акцепторів в поглинаючому шарі CdTe, а також вплив товщини та концентрації домішок донорів в буферному CdS шарі. Встановлено, що отимальні товщини для буферного шару CdS та поглинаючого CdTe шарів відповідно становлять 50 нм та 3000 нм. Як один із варіантів оптимізації для покращення ефективності пристрою запропоновано ввести додатковий шар CdSeTe між шарами CdS та CdTe. Проаналізовано основні фотовольтаїчні параметри такого сонячного елементу в залежності від товщини шару CdSeTe та вмісту в ньому селену. Продемонстровано, що додавання твердого розчину CdSeTe в шар поглинача CdTe товщиною 1500 нм підвищує ефективність сонячного елемента на 6,84 %. Проведено порівняння основних фотовольтаїчних характеристик сонячних елементів CdS/CdTe та CdS/CdSeTe/CdTe. Отримані результати показали, що змодельована структу­ра CdS/CdSeTe/CdTe забезпечує кращу ефективність фотоперетворення у світловому спектрі AM1.5G в порівнянні з класичною CdS/CdTe структурою. Такі елементи можуть використовуватися для формування високоефективних сонячних панелей

Біографії авторів

Григорій Архипович Ільчук, Національний університет «Львівська політехніка»

Доктор фізико-математичних наук, професор

Кафедра загальної фізики

Ігор Володимирович Семків, Національний університет «Львівська політехніка»

Кандидат технічних наук

Кафедра загальної фізики

Мар’яна Савівна Каркульовська, Національний університет «Львівська політехніка»

Кандидат фізико-математичних наук

Кафедра загальної фізики

Віталій Михайлович Ващинський, Національний університет «Львівська політехніка»

Кандидат фізико-математичних наук

Кафедра загальної фізики

Микола Володимирович Соловйов, Національний університет «Львівська політехніка»

Кандидат фізико-математичних наук

Кафедра загальної фізики

Посилання

  1. Green, M. A., Dunlop, E. D., Hohl‐Ebinger, J., Yoshita, M., Kopidakis, N., Hao, X. (2021). Solar cell efficiency tables (Version 58). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 29 (7), 657–667. https://doi.org/10.1002/pip.3444
  2. Thompson, N., Ballen, J. (2017). First Solar. MIT Management Sloan School. Available at: https://mitsloan.mit.edu/sites/default/files/2020-03/First%20Solar.IC_.pdf
  3. Romeo, A., Artegiani, E. (2021). CdTe-Based Thin Film Solar Cells: Past, Present and Future. Energies, 14 (6), 1684. https://doi.org/10.3390/en14061684
  4. Mohamed, H. A. (2015). Optimized conditions for the improvement of thin film CdS/CdTe solar cells. Thin Solid Films, 589, 72–78. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2015.04.081
  5. Morales-Acevedo, A. (2006). Thin film CdS/CdTe solar cells: Research perspectives. Solar Energy, 80 (6), 675–681. https://doi.org/10.1016/j.solener.2005.10.008
  6. Dharmadasa, I. M., Alam, A. E., Ojo, A. A., Echendu, O. K. (2019). Scientific complications and controversies noted in the field of CdS/CdTe thin film solar cells and the way forward for further development. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 30 (23), 20330–20344. https://doi.org/10.1007/s10854-019-02422-6
  7. Yang, X., Liu, B., Li, B., Zhang, J., Li, W., Wu, L., Feng, L. (2016). Preparation and characterization of pulsed laser deposited a novel CdS/CdSe composite window layer for CdTe thin film solar cell. Applied Surface Science, 367, 480–484. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.01.224
  8. Ibrahim, M., Chelvanathan, P., Miraz, M. H., Alkhammash, H. I., Hasan, A. K. M., Akhtaruzzaman, Md. et al. (2022). Comprehensive study on CdSe thin film as potential window layer on CdTe solar cell by SCAPD-1D. Chalcogenide Letters, 19 (1), 33–43. https://doi.org/10.15251/cl.2022.191.33
  9. Li, C., Hu, G., Hao, X., Li, C., Tan, B., Wang, Y. et al. (2021). Performance improvement of CdS/CdTe solar cells by incorporation of CdSe layers. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 32 (14), 19083–19094. https://doi.org/10.1007/s10854-021-06425-0
  10. Lingg, M., Buecheler, S., Tiwari, A. N. (2019). Review of CdTe1−xSex Thin Films in Solar Cell Applications. Coatings, 9 (8), 520. https://doi.org/10.3390/coatings9080520
  11. Paudel, N. R., Yan, Y. (2014). Enhancing the photo-currents of CdTe thin-film solar cells in both short and long wavelength regions. Applied Physics Letters, 105 (18). https://doi.org/10.1063/1.4901532
  12. Fiducia, T. A. M., Mendis, B. G., Li, K., Grovenor, C. R. M., Munshi, A. H., Barth, K. et al. (2019). Understanding the role of selenium in defect passivation for highly efficient selenium-alloyed cadmium telluride solar cells. Nature Energy, 4 (6), 504–511. https://doi.org/10.1038/s41560-019-0389-z
  13. Poplawsky, J. D., Guo, W., Paudel, N., Ng, A., More, K., Leonard, D., Yan, Y. (2016). Structural and compositional dependence of the CdTexSe1−x alloy layer photoactivity in CdTe-based solar cells. Nature Communications, 7 (1). https://doi.org/10.1038/ncomms12537
  14. Burgelman, M., Nollet, P., Degrave, S. (2000). Modelling polycrystalline semiconductor solar cells. Thin Solid Films, 361-362, 527–532. https://doi.org/10.1016/s0040-6090(99)00825-1
  15. Zheng, X., Kuciauskas, D., Moseley, J., Colegrove, E., Albin, D. S., Moutinho, H. et al. (2019). Recombination and bandgap engineering in CdSeTe/CdTe solar cells. APL Materials, 7 (7). https://doi.org/10.1063/1.5098459
  16. Doroody, C., Sajedur Rahman, K., Chelvanathan, P., Adib Ibrahim, M., Sopian, K., Amin, N. et al. (2023). Incorporation of Magnesium-doped Zinc Oxide (MZO) HRT Layer in Cadmium Telluride (CdTe) Solar Cells. Results in Physics, 47, 106337. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2023.106337
  17. Nykyruy, L. I., Yavorskyi, R. S., Zapukhlyak, Z. R., Wisz, G., Potera, P. (2019). Evaluation of CdS/CdTe thin film solar cells: SCAPS thickness simulation and analysis of optical properties. Optical Materials, 92, 319–329. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.04.029
  18. Bhari, B. Z., Rahman, K. S., Chelvanathan, P., Ibrahim, M. A. (2023). Plausibility of ultrathin CdTe solar cells: probing the beneficial role of MgZnO (MZO) high resistivity transparent (HRT) layer. Journal of Materials Science, 58 (40), 15748–15761. https://doi.org/10.1007/s10853-023-09001-5
  19. Filipe, D. I., Chenene, M. L. (2023). Front interface defect signature and benefits of CdSeTe thickness and band gap in CdSeTe/CdTe graded solar cell. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-3462048/v2
  20. Zyoud, S. H., Zyoud, A. H., Ahmed, N. M., Abdelkader, A. F. I. (2021). Numerical Modelling Analysis for Carrier Concentration Level Optimization of CdTe Heterojunction Thin Film–Based Solar Cell with Different Non–Toxic Metal Chalcogenide Buffer Layers Replacements: Using SCAPS–1D Software. Crystals, 11 (12), 1454. https://doi.org/10.3390/cryst11121454
  21. Liu, X., Abbas, A., Togay, M., Kornienko, V., Greenhalgh, R., Curson, K. et al. (2024). The effect of remnant CdSe layers on the performance of CdSeTe/CdTe photovoltaic devices. Solar Energy Materials and Solar Cells, 267, 112717. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2024.112717
  22. Munshi, A. H., Kephart, J., Abbas, A., Raguse, J., Beaudry, J.-N., Barth, K. et al. (2018). Polycrystalline CdSeTe/CdTe Absorber Cells With 28 mA/cm2 Short-Circuit Current. IEEE Journal of Photovoltaics, 8 (1), 310–314. https://doi.org/10.1109/jphotov.2017.2775139
Оптимізація сонячного елемента на основі телуриду кадмію шляхом внесення поглинаючого шару CdSeTe (моделювання гетероструктури)

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-10-31

Як цитувати

Ільчук, Г. А., Семків, І. В., Каркульовська, М. С., Ващинський, В. М., & Соловйов, М. В. (2024). Оптимізація сонячного елемента на основі телуриду кадмію шляхом внесення поглинаючого шару CdSeTe (моделювання гетероструктури). Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(5 (131), 6–12. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.314234

Номер

Том 5 № 5 (131) (2024): Прикладна фізика

Розділ

Прикладна фізика

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Hryhorii Ilchuk, Ihor Semkiv, Maryana Karkulovska, Vitalii Vashchynskyi, Mykola Solovyov

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.