Моделирование эффективности тандемного солнечного элемента на основе диселенида меди-индия-галлия

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №7_

ФИЗИКА

УДК 537.312.5, 539.21, 621.315.592

Член-корреспондент АН Республики Таджикистан Х.Х.Муминов, А.С.Миркамали

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТАНДЕМНОГО СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ ДИСЕЛЕНИДА МЕДИ-ИНДИЯ-ГАЛЛИЯ

Физико-технический институт им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан

Численным моделированием с помощью программы AMPS-1D проведено исследование одно-переходных солнечных элементов на основе сульфида кадмия и диселенида меди-индия-галлия CdS/CIGS и показано, что наибольшая их эффективность в 17.3% достигается при толщине p-слоя CIGS, равной 200 нм. Разработана и проведена оптимизация структуры нового тандемного многослойного солнечного элемента на основе CdS/CIGS. Методами численного моделирования показано, что наибольшую эффективность данного элемента, равную 48,3%, можно получить при толщине p-слоя CIGS, равной 600 нм.

Ключевые слова: фотовольтаика - эффективность - тандемный солнечный элемент - сульфид кадмия - диселенид меди-индия-галлия.

Одной из актуальных задачи фотовольтаики является разработка солнечных элементов, обладающих высокой эффективностью и способностью стабильно работать в течение длительного периода времени. В настоящее время наиболее распространены так называемые однопереходные солнечные элементы, то есть элементы, состоящие из одного р-п-перехода. Такие солнечные элементы могут эффективно поглощать и преобразовывать не более 20% энергии солнечного спектра. В последние годы всё большее внимание исследователей привлекают многослойные тандемные солнечные элементы, которые создаются на основе нескольких р-п-переходов различных полупроводниковых материалов, обладающих различными ширинами запрещенных зон, вследствие чего они обладают способностью поглощать и эффективно преобразовывать энергию большей части солнечного спектра.

Одним из наиболее перспективных материалов для создания солнечных элементов считается диселенид меди-индия-галлия. Максимальная экспериментально полученная эффективность однопе-реходного солнечного элемента на основе сульфида кадмия CdS и диселенида меди-индия-галлия составляет 17.1% [1].

Диселенид меди-индия-галлия Cu(InxGa1-x)(SexS1_x) или CIGS представляет собой четырех-компонентный сплав I-III-IV групп, формирующийся благодаря замене атомов индия атомами галлия в подрешётке CuInSe2 (CIS), который кристаллизуется в устойчивую структуру халькопирита [2]. Цель данной замены катиона или аниона состоит в том, чтобы изменить ширину запрещенной зоны CIS (1.02 эВ) таким образом, чтобы она находилась в оптимальном диапазоне для фотоэлектрического преобразования. Электронная проводимость этих материалов может быть объяснена в терминах химии их внутренних дефектов.

Адрес для корреспонденции: Муминов Хикмат Халимович. 734063, Таджикистан, г.Душанбе, пр. Айни, 299/1, Физико-технический институт АН РТ. E-mail: khikmat@inbox.ru

Вакансии меди и индия (то есть лишний селен) приводят к появлению полупроводниковых материалов p-типа, имеющих плотности носителей в пределах от 0.15 до 2x1017 см-3, в то время как вакансии селена приводят к проводимости n-типа. Самый важный дефект для рекомбинации носителя - это InCu (атом In располагается в противоузле по отношению к атому Cu). Этот дефект, как вследствие его низкой энергии формирования, так и из-за его предсказанного уровня в 0.34 эВ, что ниже максимума зоны проводимости, приводит к значительной компенсации материала p-типа благодаря снижению его активности через формирование комплексов дефектов типа [2VCu + InCu] [3].

Фотовольтаические устройства на основе CIGS получаются путем формирования p-n гетеропереходов на тонкой плёнке CdS. Роль полупроводника CdS n-типа, у которого ширина запрещённой зоны 2.4 эВ, заключается не только в том, чтобы сформировать р-п-переход с поглотителем, но также и для того, чтобы служить входящим слоем, который пропускает падающий свет с относительно малыми потерями на поглощение и отражение. Изготовление обычно начинается с осаждения молибденового Mo заднего контакта, за которым следует поглотитель р-типа, - тонкий слой CdS (толщиной 50-100 нм), а ZnO с введённой примесью Al служит в качестве прозрачного переднего контакта. Проводящий оксидный слой может также быть добавлен к этому контакту, чтобы максимизировать поглощение и, в свою очередь, плотность тока, получаемую из этих элементов. Преимущество CIGS заключается в гибкости подложек (таких, как известково-натриевое стекло, алюминиевая фольга или высокотемпературный полиамид), на которые могут быть осаждены эти элементы [4].

Концепция данного солнечного элемента состоит в использовании трёх слоев: слоя n-ZnO (с шириной запрещённой зоны 3.30 эВ), который используется в качестве прозрачного контакта, слоя n-CdS (2.40 эВ), представляющего собой фронтальный поглощающий слой, и p-CIGS (1.15 эВ) - поглощающего слоя p-типа. Эта конфигурация является весьма популярной для устройств на основе CIGS. Мы используем в численном моделировании данного устройства значения параметров, приведённые в [2, 3].

В данной работе мы проводим численное моделирование с использованием программы одномерного моделирования и анализа микроэлектронной и фотонной структуры AMPS-1D, созданной группой профессора С.Фонаша (Университет Пенсильвании, США).

Цель данного численного моделирования солнечных элементов на основе CIGS заключается в оптимизации дизайна элемента с уменьшенной толщиной, которая варьировалась в пределах от 30 нм до 1000 нм, как показано на рис. 1 а,б.

Из рис. 1а видно, что эффективность солнечного элемента при увеличении толщины поглощающего слоя p-CIGS возрастает, а затем уменьшается постепенно. Оптимальная толщина для поглощающего слоя р-CIGS составила 200 нм при эффективности, равной 17.3%. Как видно по выходным данным моделирования, из всех параметров элемента только плотность тока короткого замыкания имеет сильную зависимость от толщины p-слоя CIGS. С увеличением толщины поглотителя, она снижается. При сравнении результатов моделирования и экспериментальных данных [1] видно, что падение тока по экспериментальным данным [1] происходит гораздо круче, чем предсказывает моделирование (рис. 1б.). Это различие, видимо, связано с зернистостью обработки границ слоев [5, 6].

CIGS Thickness

Рис.1а. Зависимость эффективности однопереходного солнечного элемента от толщины р-слоя CIGS.

CIGS Thickness

Рис.1б. Зависимость плотности тока однопереходного солнечного элемента от толщины р-слоя CIGS.

Таким образом, проведенное численное исследование однопереходных солнечных элементов на основе сульфида кадмия и диселенида меди-индия-галлия CdS/CIGS показало, что наибольшая эффективность в 17.3% достигается при толщине р-слоя CIGS, равной 200 нм.

Данный результат находится в хорошем соответствии с экспериментальными данными, полученными для аналогичного солнечного элемента в работе А.О.Пудова и др. [1], в которой наивысшая эффективность составила 17.1% при толщине солнечного элемента в 1 мкм.

В целях повышения эффективности и определения наиболее оптимального солнечного элемента проведём моделирование тандемного многослойного солнечного элемента, составленного на основе двух одноконтактных одиночных элементов на основе CdS/CIGS, соединённых обратными

сторонами. На рис. 2 представлен предлагаемый солнечный элемент и порядок расположения слоёв. Предлагаемый многослойный элемент создаётся из двух слоев CdS, p-типа и n-типа и второго слоя CIGS p-типа и n-типа. Поверх солнечного элемента располагается слой оксида индия-олова (ITO) толщиной 200 нм для обеспечения большего поглощения светового потока солнечным элементом, а нижний слой представляет слой молибдена толщиной в 500 нм для обеспечения отражения светового потока. При таком моделировании толщина р-слоя CdS выбрана равной 50 нм и n-слоя CdS 200 нм.

Наиболее оптимальным в результате ранее проведенного численного моделирования оказался солнечной элемент с толщиной n-слоя CIGS, равной 3000 нм, которую мы сохраняли постоянной и варьировали толщину p-слоя CIGS от 400 нм до 2000 нм. Верхний, буферный слой служит для обеспечения большего поглощения синей части спектра солнечного изучения. Фотоны красной части спектра, которые не поглотились в верхних слоях, поглощаются в нижнем абсорбирующем слое и порождают электронно-дырочные пары. В результате, общая эффективность солнечного элемента, представляющая собой суммарную эффективность верхнего и нижнего элементов, увеличивается.

ITO

n- CIGS

п-

Рис.2. Схематическое изображение многослойного тандемного солнечного элемента на основе CdS/CIGS.

На графиках (рис. 3 а,б,в) представлены зависимости напряжения холостого хода Уос, тока короткого замыкания 1кс и эффективности п от толщины р-слоя СЮ$, полученные нами в численных экспериментах. Результаты показывают, что наиболее оптимальным солнечным элементом при толщине р-слоя CIGS в 600 нм при стандартном солнечном изучении в АМ 1.5 оказывается элемент с наибольшей эффективностью, равной 48.3%. Эта эффективность более чем в два раза превышает эффективность однопереходного солнечного элемента на основе CdS/CIGS при аналогичных условиях.

Рис.3а. Зависимость напряжения холостого хода Voc многослойного тандемного солнечного элемента

на основе CdS/CIGS от толщины p-слоя CIGS.

Рис.3б. Зависимость плотности тока короткого замыкания Jsc многослойного тандемного солнечного элемента

на основе CdS/CIGS от толщины p-слоя CIGS.

ТЫскле*»

Рис.3в. Зависимость эффективности многослойного тандемного солнечного элемента на основе CdS/CIGS от толщины p-слоя CIGS.

Таким образом, нами, с использованием результатов исследования однопереходных солнечных элементов, разработан дизайн и проведена оптимизация структуры нового тандемного многослойного солнечного элемента на основе CdS/CIGS. Методами численного моделирования показано, что наибольшую эффективность данного элемента, равную 48.3%, можно получить при толщине p-слоя CIGS, равной 600 нм.

Поступило 06.05.2016 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Pudov A.O., Contreras M.A., Nakada T., Schock H.W. CIGS J-V Distortions in the Absence of Blue Photons. - Thin Solid Films, 2005, v. 480-481, рр. 273-278.

2. Birkmire R.W., Eser E. Polycrystalline Thin Film Solar Cells: Present Status and Future Potential. -Annu. Rev. Mater. Sci, 1997, v. 27, pp. 625-653.

3. Choi S.G., Zhao H.Y., Persson C., Perkins C.L., Donohue A.L., To B., Norman A.G, Li J., Repins I.L. Dielectric function spectra and critical-point energies of Cu2ZnSnSe4 from 0.5 to 9.0 eV. - Journal оf Applied Physics, 2012, v. 111. pp. 033506.1- 033506-6.

4. Wolden C.A., Kurtin J., Baxter J.B., Repins I., Shaheen S.E., Torvik J.T., Rockett A.A., Fthenakis V.M., Aydil E.S. Photovoltaic Manufacturing: Present status, future prospects, and research needs - J. Vac. Sci. Technol., 2011,v. 29, №3, рр.1-16.

5. Hergutha A., Horbelta R., Wilkinga S., Jobb R., Hahna G. Comparison of BO Regeneration dynamics in PERC and Al-BSF solar cells. - Energy Procedia, 2015, v. 77, pp. 75-82.

6. Morozov O.I. Structure of Symmetry Groups via Cartan's Method: Survey of Four Approaches. - Symmetry, Integrability and Geometry: Methods and Applications, 2005, v.1, pp.1-14.

^Д.Муминов, А.С.Миркамолй

МОДЕЛСОЗИИ САМАРАНОКИ ЭЛЕМЕНТИ ОФТОБИИ ТАНДЕМЙ ДАР АСОСИ ДИСЕЛЕНИДИ МИС-ИНДИЙ-ГАЛЛИЙ

Институти физикаю техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон

Бо усули моделсозии ададй тавассути барномаи AMPS-1D тадкикоти элементной офто-бии якгузаришй дар асоси сулфури кадмий ва диселениди мис-индий-галлий CdS/CIGS гузаро-нида шудааст. Нишон дода шудааст, ки самаранокии баландтарини баробар ба 17,3 % нангоми гафсии р-кабати CIGS баробари 200 нм мебошад, ба даст оварда мешавад.

Сохтори нави тандемии бисёркабатаи элементи офтобии дар асоси CdS/CIGS коркард шуда оптимизатсия карда шудааст. Бо усули моделсозии ададй нишон дода шудааст, ки самаранокии баландтарини ин элемент, ки баробар ба 48.3% мебошаднангоми гафсии р-кабати CIGS баробар ба 600 нм будан, ба даст овардан мумкин аст.

Калима^ои калиди: фотоволтаика - самараноки - элементи офтобии тандеми - сулфури кадмий -диселениди мис-индий-галлий.

Kh.Kh.Muminov, A.S.Mirkamali MODELING OF THE EFFICIENCY OF TANDEM SOLAR CELLS ON THE BASIS OF DISELENIDE OF COPPER-INDIUM-GALLIUM

S.U. Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan By numerical simulation with use of AMPS-1D program single-junction CdS/CIGS solar cells have been investigated. It has been shown that the highest efficiency in 17.3% could be reached at 200 nm of the CIGS p-layer thickness. New structure of CdS/CIGS tandem multilayer solar cell has been suggested and optimized. It has been shown by numerical simulation that the highest efficiency in 48.3% in that case could be reached at p-layer thickness of CIGS equal to 600 nm.

Key words: photovoltaic - efficiency - tandem solar cells - cadmium sulfur - diselenide of copper-indium-gallium.