Моделирование эффективности многослойного тандемного солнечного элемента на основе теллурида кадмия

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №8_

ФИЗИКА

УДК 537.312.5, 539.21, 621.315.592

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

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОСЛОЙНОГО ТАНДЕМНОГО СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА НА ОСНОВЕ ТЕЛЛУРИДА КАДМИЯ

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

Методом численного моделирования однопереходного солнечного элемента с помощью программы AMPS-1D разработана оптимальная структура тандемного многослойного солнечного элемента CdS/CdTe, и показано, что его наибольшую эффективность в 31.8% можно получить при толщине p-слоя CdS, равной 50 нм, и толщине n-слоя CdS, равной 200 нм, при сохранении фиксированными толщины n-слоя CdTe в 3000 нм и p-слоя CdTe, равной 1000 нм.

Ключевые слова: фотовольтаика - эффективность - тандемный солнечный элемент - сульфид кадмия - теллурид кадмиия.

Солнечные элементы на основе теллурида кадмия CdTe являются одними из лучших кандидатов в качестве фотоэлектрических преобразователей энергии, потому что они имеют низкую стоимость, высокую эффективность и стабильную конфигурацию.

Теллурид кадмия CdTe является типичным полупроводником p-типа II-VI групп, имеющим оптическую ширину запрещенной зоны 1,5 эВ, которая оптимальна для фотогенерации и получения электричества. Способность к однородному напылению и широкий диапазон термодинамической устойчивости предполагают, что обычный процесс напыления может быть легко использован для осаждения пленки CdTe на подложках с большой площадью [1].

Уменьшение толщины слоев при оптимизации дизайна подобного солнечного элемента приводит к экономии материала, снижению времени производства элемента и расхода энергии. Все эти факторы будут способствовать снижению стоимости производства. Структура солнечного элемента на основе гетероперехода CdS/CdTe включает n-слой CdS и р-слой CdTe с широкими запрещенными зонами. Кроме того, вследствие своих оптоэлектронных и химических свойств, CdS является лучшим полупроводниковым партнером n-типа для CdTe для достижения требуемых экономических параметров солнечных элементов, таких как высокая их эффективность и низкий уровень затрат. Имеется информация о максимальном теоретическом КПД для CdTe в 29% при стандартном солнечном спектре в AM 1.5. Группа Национальной лаборатории возобновляемой энергетики США (NREL) сообщила о рекордной эффективности в 16.5% [2]. Тонкоплёночные фотовольтаические устройства на основе гетероперехода CdS/CdTe были исследованы в [3], и были получены рекордные коэффициенты полезного действия, достигающие 17.3%.

Оптоэлектронные свойства материалов, из которых изготовляются слои, используемые в данном численном моделировании, были взяты из статьи Глёклера по исследованию тонкоплёночных

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

фотоэлектрических элементов [4]. Профиль поглощения (абсорбции) рассчитывался по работе Браун-сона и др. [5]. В этом исследовании, в качестве материала, из которого изготовлен передний поглощающий слой, то есть материала-абсорбера служит CdS с шириной запрещенной зоны (2.4 эВ) для поглощения высокоэнергетической фиолетовой области стандартного солнечного спектра АМ 1.5. Слоем р-типа в этом исследовании служит CdTe (1.5 эВ). Прозрачный тонкий слой из оксида индия In2O3-SnO2 с шириной запрещённой зоны 3.60 эВ (1ТО) применяется в качестве прозрачного проводящего контакта - материала, который покрывает переднюю поверхность оксидного слоя.

Физика переноса в устройстве может быть объяснена с помощью трёх основных уравнений: уравнения Пуассона, уравнения непрерывности для свободных дырок и уравнения непрерывности для свободных электронов. Уравнение Пуассона связывает населённости свободных носителей, населённости захваченных зарядов и населённости ионизованных примесей с электростатическим полем, существующим в материальной системе. В одномерном пространстве уравнение Пуассона имеет вид

^ Х) = д' Х) ~ X)+ N°

где электростатический потенциал у и концентрации свободных электронов п, свободных дырок р, захваченных электронов пь захваченных дырок рь наряду с концентрациями ионизированной доно-роподобной примеси и ионизированной акцептороподобной примеси зависят от пространственной переменной. Здесь: е - проницаемость материала, q - заряд электрона. Полная ионизация предполагается для всех слоев, то есть N = или N = в зависимости от того, является ли материал полупроводником р- или п-типа, соответственно. При стационарных условиях, т.е. когда скорость изменения населённости свободных носителей равна нулю, используем уравнения непрерывности

для свободных электронов 11 | = —О

q ^ йх )

для свободных дырок

1 Г —„ Л

Р = Оор

q

где Jn и Jp, соответственно, плотности токов электронов и дырок. R(х) - общая скорость рекомбинации, состоящая из прямозонного и непрямозонного (Рида-Холла) путей рекомбинации. Член Gop(x) называется скоростью генерации оптических носителей, зависящей от положения х вследствие освещения. Она определяется и вычисляется в каждой точке, как пространственная производная потока падающих фотонов Фь которая является функцией частоты V и имеет стандартные значения (~ 1015/см2/с) для спектра АМ 1.5 с пропускным интервалом 20 нм. Плотность электронного тока Jn всегда может быть выражена как

— (х) = qvnn

Г йЕ^ Л

/п

где цп - подвижность электронов, а плотность тока дырок можно выразить следующим образом

(dEf Л

Здесь - подвижность дырок, а величины р и n определяются из распределения Ферми. Важно отметить, что уравнения (4) и (5) являются весьма общими формулировками, которые включают диффузию, дрейф и движение за счёт эффективных полей, связанных с шириной запрещённой зоны, сродство к электрону и градиент плотностей состояний.

Программа AMPS-1D, с использованием схемы Ньютона-Рафсона, на основании формул (1)-(5) позволяет вычислить скорость рекомбинации в терминах распределения уровней энергии дефектов (которые могут быть введены дополнительно вручную) и вероятности захвата носителей заряда в данных состояниях (задаваемые распределением Ферми).

Теоретически минимальная толщина пленок CdTe, необходимая для поглощения 99% падающих фотонов с энергией большей, чем ширина запрещенной зоны, составляет приблизительно 1 -2 мкм [2]. В данном численном моделировании ставится задача экономии необходимых материалов и, таким образом, снижения стоимости солнечных элементов на основе CdS/CdTe путём нахождения оптимальной толщины слоев CdTe и CdS. Для достижения этих целей, в качестве первого шага толщина CdTe варьировалась от 10 нм до 6000 нм, с тем, чтобы найти наиболее тонкий поглощающий слой. Результаты данного моделирования показывают, что эффективность солнечного элемента достигает 14.6% при толщине слоя CdTe в 1 мкм. Эти результаты находятся в хорошем согласии с соответствующими результатами, опубликованными другими авторами по солнечным элементам на основе CdTe [6].

На следующем этапе мы проводили моделирование солнечного элемента на основе CdTe в других условиях, которые подразумевают толщину слоя CdTe фиксированной и равной 1000 нм, при этом толщина слоя CdS варьируется в пределах от 200 нм до 20 нм.

Таким образом, путём численного моделирования мы определили, что для солнечных элементов на основе CdS/CdTe наилучшая эффективность, равная 18.3%, достигается при толщине слоя CdTe в 1000 нм и толщине слоя CdS в 60 нм. Полученный результат находится в хорошем согласии с экспериментальными данными, полученными Чоу и др. в работе [3], в которой максимальная эффективность солнечного элемента на основе CdS/CdTe составила 17.3%.

С целью повышения эффективности и создания наиболее оптимального многослойного тан-демного элемента будем использовать однопереходные солнечные элементы, рассмотренные нами в предыдущих разделах, соединенные обратными сторонами. Такой элемент способен поглощать и преобразовывать большую часть энергии солнечного спектра. Параметры этих элементов нам известны и оптимальные характеристики элементов ранее были промоделированы. На рис.1. представлен порядок расположения слоев предлагаемого солнечного элемента. Данный элемент сконструирован из двух слоев CdS, один из которых р-типа, а другой - n-типа, и двух слоёв CdTe р- и n-типа. На внешнем слое этого элемента расположен слой ITO толщиной 200 нм для обеспечения большего поглощения светового потока, а нижний слой представляет собой слой меди толщиной в 500 нм для отражения светового потока.

ITO

n- CdTe

п- СёБ

_Си_

Рис.1. Схематическое изображение многослойного тандемного солнечного элемента на основе CdS/CdTe

На первом этапе численного моделирования, с целью получения более эффективной толщины верхнего слоя солнечного элемента CdS / СЭТе, толщина р-слоя CdS варьировалась от 20-нм до 100 нм. Поскольку этот слой расположен на самой верхней поверхности под абсорбирующим слоем, следовательно, он имеет минимальную толщину по сравнению с другими слоями. Таким образом, была получена наиболее оптимальная толщина в 50 нм для данного слоя, обеспечивающая наиболее высокую эффективность (см. рис. 2).

На следующем этапе моделирования толщина р-слоя CdS сохранялась постоянной на уровне 50 нм, а толщина п-слоя CdS варьировалась от 60 нм до 600 нм. Поскольку этот слой расположен на р-слое CdTe и под р-слоем CdS, то он должен иметь толщину, меньшую толщины нижнего слоя, и большую, чем толщина верхнего слоя. Анализ полученных результатов, показывает, что наиболее оптимальная толщина равна 200 нм, как показано на рис.3.

10

О -I-1-1-1-1-1-

С O.OZ ИЛ* О.ОБ 0.05 О '

Thickness

Рис.2. Зависимость эффективности многослойного тандемного солнечного элемента на основе CdS/CdTe от толщины p-слоя CdS.

Рис.3. Зависимость эффективности многослойного тандемного солнечного элемента на основе CdS/CdTe от толщины п-слоя CdS.

На обоих этапах моделирования толщина п-слоя С^е выбиралась равной 3000 нм, а толщина p-слоя С^е сохранялась постоянной и равной 1000 нм. Полученные результаты показали, что наиболее оптимальная эффективность тандемного многослойного солнечного элемента основе CdS/CdTe с указанными выше толщинами слоев равна 31.8%, то есть эффективность приблизительно в два раза больше, чем аналогичного однопереходного элемента при стандартном световом спектре в АМ 1.5.

Таким образом, на основе проведенного моделирования однопереходного солнечного элемента разработана оптимальная структура тандемного многослойного солнечного элемента CdS/CdTe, и численным моделированием показано, что его наибольшую эффективность в 31.8% можно получить при толщине р-слоя CdS, равной 50 нм, и толщине п-слоя CdS, равной 200 нм, при сохранении фиксированными толщины п-слоя CdTe в 3000 нм и р-слоя CdTe, равной 1000 нм.

Поступило 13.06.2015 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. 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, pp.1-16.

2. Xuanzhi Wu. High-efficiency polycrystalline CdTe thin-film solar cells. - Solar Energy, 2004, v. 77, pp. 803-814.

3. Chou H.C., Rohatgi A., Jokerst N.M., Thomas E.W., Kamra S. Copper Migration in CdTe Heterojunction Solar Cells - J. Electr. Mater, 1996, v. 25, №7, pp.1093-1098.

4. Gloeckler M., Fahrenbruch A.L., Sites J.R. Numerical Modeling of CIGS and CdTe Solar Cells: Setting the Baseline - 3rd conf. on PV energy conv, 2003, pp. 491-494.

5. Brownson J.R.S., Georges C., Clement C.L. Synthesis of a 5-SnS Polymorph by Electrodeposition -Chem. Mat. 2006, v.18, pp.6397-6402.

6. Nowshad A.,Isaka T.,Okamoto T.,Yamada AKonagai.,M. Prospect of Thickness Reduction of the CdTe Layer in Highly Efficient CdTe Solar cells Towards 1цш - Japanese Journal of Applied Physics,1999, v. 38, №.8R, pp. 4666-4670.

^Д.Муминов, А.С.Миркамолй

МОДЕЛСОЗИИ САМАРАНОКИИ ЭЛЕМЕНТИ ОФТОБИИ БИСЁРЦАБАТАИ ТАНДЕМЙ ДАР АСОСИ ТЕЛЛУРИДИ КАДМИЙ

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

Бо усули моделсозии ададии элементи офтобии якгузаришй бо истифода аз барномаи AMPS-1D сохтори оптималии элементи офтобии тандемии бисёркабата дар асоси CdS/CdTe пешниход карда шудааст. Нишон дода шудааст, ки самаранокии баландатрини онро баробар ба 31.8% хангоми р-кабати CdS баробари 50 нм, n-кабати CdS баробари 200 нм, бо нигах дош-тани собит n-кабати CdTe баробар ба 3000 нм ва р-кабати CdTe баробар ба 1000 нм дастрас кардан мумкин аст,

Калима^ои калиди: фотоволтаика - самараноки - элементи офтобии тандеми - сулфури кадмий -теллуриди кадмий.

Kh.Kh.Muminov, A.S.Mirkamali MODELING OF THE EFFICIENCY OF MULTIJUNCTION TANDEM SOLAR CELLS ON THE BASIS OF CADMIUM TELLURIDE

Physical-Technical Institute named after S.U. Umarov, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan On the basis of numerical simulation of single-junction solar cells with use of AMPS-1D program the optimal structure of tandem multijunction CdS/CdTe solar cell has been elaborated. It has been shown that its highest efficiency in 31.8% could be reached at 50 nm of the thickness of CdS p-layer and 200 nm of CdS n-layer keeping fixed thicknesses of CdTe n-layer equal 3000 nm and CdTe p-layer equal 1000 nm. Key words: photovoltaic - efficiency - tandem solar cells - cadmium sulfur - cadmium telluride.