22602

طراحي، شبيه سازي و ساخت ‌سلول‌ خورشيدي لايه نازك كستريت

دكتري تخصصي

الكترونيك

1399/07/08

دكتر شهرام محمدنژاد

برق

امروزه مواد كستريت به عنوان يكي از لايه هاي جاذبِ سلول‌هاي خورشيدي لايه نازك مطرح شده اند. اين مواد تركيبي از عناصر مس، روي، قلع، گوگرد و سلنيوم بوده و شكاف انرژي آن ها در محدوده بهينه براي سلول هاي خورشيدي تك پيوندي است. در اين رساله به طراحي و تحليل ساختارهاي نوين در جهت بهبود پارامترهاي فتوولتائيك سلول خورشيدي كستريت پرداخته شده است. ساختارهاي پيشنهادي به نحوي است كه منجر به بهبود هم‌زمان بازدهي، ولتاژ مدار باز و چگالي جريان اتصال كوتاه افزاره شده است. استفاده از لايه هاي بافر جايگزين CdS، افزودن لايه هاي نازك مياني CZTS، CZTSe و CZTS0.2Se0.8 بين لايه جاذب/اتصال پشتي، استفاده از لايه هاي جاذب دوتايي از جمله ساختارهاي پيشنهادي است كه مورد تحليل جامع و شبيه سازي قرار گرفته است. شبيه سازي ها نشان داد براي دستيابي به بازدهي بالاي 13 درصد و همچنين ولتاژ مدار باز بالاي 700 ميلي ولت، مي توان از تركيبات SnS2، Mg0.2Zn0.8O، ZnO0.55S0.45 و ZnO0.80S0.20 به عنوان لايه بافر استفاده كرد. با افزودن لايه هاي نازك مياني CZTS، CZTSe و CZTS0.2Se0.8 بين لايه جاذب/اتصال پشتي، كاهش قابل توجهي در تلفات بازتركيب (كمتر از 2mA/cm 12) به‌دست آمد. با استفاده از لايه هاي نازك فوق و پس از بهبود ساختار به صورت پيوند p+pn، به ترتيب بازدهي 62/15%، 98/15% و 81/17% حاصل شد. همچنين كاهش بازتركيب حامل هاي اقليت در محدوده اتصال پشتي و كاهش مقاومت سري، در ساختارهاي پيشنهادي تحت روشنايي AM1.5 منجر به افزايش حداقل 40 درصدي ولتاژ مدار باز به ترتيب معادل mV 919، mV 921 و mV 986 شد. در ادامه به كمك فن آوري هاي رشد لايه نشاني چرخشي و نيز با استفاده از تركيبات شيميايي ارزان قيمت، طراحي و ساخت لايه جاذب سلول خورشيدي مبتني بر كستريت CZTS طي مراحل مشخص انجام شد و ويژگي هاي نوري و الكتريكي آن مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت. نتايج اوج‌‌هاي پراش پرتو ايكس حاصل شده مطابق با الگوي پراش اشعه ايكس تركيب CZTS بود كه اين موضوع نشان دهنده ساختار كستريت لايه هاي ايجاد شده مي‌باشد. شكاف انرژي نوري لايه‌هاي رشد يافته در محدوده eV 50/1 – 40/1 به دست آمد كه با مقادير به‌دست آمده از منابع و تحقيقات قبلي مطابقت خوبي داشت. در تصاوير مورفولوژي از SEM، لايه هاي متراكم از ذرات CZTS مشاهده شد. همچنين منحني به‌دست آمده از ضرايب جذب لايه¬ نازك CZTS در طول موج هاي 200 تا 1100 نانومتر نشان از جذب بالاي آن در طيف مرئي و UVA دارد. در نهايت در دو ساختار عملي پيشنهادي به صورت Au/CZTS/ZnO/AZO/ITO وAu/Cu-rich CZTS/Zn-rich CZTS/ZnO nanorod/AZO/ITO عملكرد مناسبي در سلول خورشيدي لايه نازك كستريت مشاهده شد به‌طوري كه مقدار ولتاژ مدار باز و جريان اتصال كوتاه در ساختار اخير به ترتيب به مقدار V 54/0 و mA 5/21 به دست آمد.

1399/08/19

Design, Simulation and Fabrication of Kesterite Thin Film Solar Cells

9/29/2020 12:00:00 AM

In this thesis, practical designs have been provided to overcome the low efficiency and VOC deficit in kesterite based solar cells by several proposing practical structures, changing buffer layer, inserting p+-CZTSSe ultrathin layer between Mo and p-CZTS layer, and using dual absorber layer. The effect of various layers and interface parameters such as thickness, carrier concentration, defect density and current recombination are studied, carefully. First, the results of the structure with 12.03% efficiency are reproduced to verify the validity of the simulation. Then, the results of the five efficient CZTS/CdS-based solar cell experimental structures are scrutinized and two CZTS solar cells with 8.4% and 11% efficiency reproduced, and validated. Additionally, a p+pn structure (p+-CZTSxSe(1-x)/p-CZTS/n-CdS) has been designed to improve simultaneous of the efficiency, open-circuit voltage and short-current density of the solar cell. In CZTSe/CZTS-based structure, the device conversion efficiency is increased to 15.98% at the condition of the 50 nm CZTSe thickness and the carrier concentrations of 1×1017cm-3 and 1×1018cm-3 for CZTSe and CZTS layers, respectively. In addition, the best band alignment in CZTSxSe1-x/CZTS-based structure leads to an efficiency of 17.22% by selecting x=0.2 as CZTS0.2Se0.8, with a band gap of 1.09eV. Furthermore, the device conversion efficiency is enhanced to 17.81% at the condition of the 50 nm CZTS0.2Se0.8 thickness and the carrier concentrations of 1×1018cm-3 and 5×1016cm-3 for CZTS0.2Se0.8 and CZTS layers, respectively. In continue, it is shown that it is possible to increase the efficiency and open circuit voltage of kesterite solar cell to respectively 15.62% and 919 mV through inserting CZTS as a BSF layer with a thickness of 200 nm and carrier concentration of 1×1018 cm-3. Moreover, dual CZTS absorber layer with p+pn structure is proposed to enhance the photovoltaic parameters. In this dual absorber-based structure, the device conversion efficiency increases to 17.05% by selecting the thickness of 1 µm and the carrier concentration of 1×1018 cm-3 for the p+-CZTS layer and choosing the carrier concentration of 5×1015 cm-3 for the p-CZTS. In addition, the efficiency of this structure with 5.1 eV work function of back-contact is 19.08%.

كستريت , بازتركيب سطح واسط , ولتاژ مدار باز , چگالي جريان اتصال كوتاه , سلول خورشيدي لايه نازك

Interface recombination , Kesterite , Open-circuit voltage , Thin-film solar cell