ZnSeの光電気特性の数値評価

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12193 (2023) この記事を引用

この研究では、PC1D シミュレーション ソフトウェアを使用して、薄くてコスト効率の高い太陽電池の ZnO-ZnSe-CdSe ヘテロ接合の光電気特性の数値評価が行われました。 光起電力 (PV) 特性は、p-CdSe 層の吸収層、n-ZnSe の窓層、および光トラップを強化した透明な導電性酸化物である ZnO の反射防止コーティング (ARC) 層の厚さを変えることによって最適化されています。 、ワイドバンドギャップエンジニアリング。 正の伝導帯オフセット (CBO) は ΔEc = 0.25 eV、負の価電子帯オフセット (VBO) は ΔEv = 1.2 − 2.16 = − 0.96 eV です。 正の CBO は、CdSe から ZnSe 層への電子の流れを防ぎます。 さらに、ドーピング濃度が太陽電池の性能に与える影響も分析されています。 シミュレーション結果は、ARC を追加することによって太陽電池の効率が向上することを示しています。 窓層の厚さが 80 nm を超えると効率が急速かつ急激に増加することは、マクロからミクロのスケールでの形態学とエレクトロニクスの複合効果により、興味深いものであり、異例であり、型破りなものです。 ZnO/ZnSe/CdSe構造の薄膜太陽電池は、短絡電流(Isc)=1.72A、開放電圧(Voc)=0.81V、曲線因子(FF)で11.98%の高効率を示しました。 = 2 μm の吸収層、50 nm の窓層、78 nm の ARC 層の最適化された厚さで 90.8%。 太陽電池の EQE は、470 nm (可視光範囲) の特定の波長で約 90% であることが観察されています。 このような薄層太陽電池の約 12% の効率は非常に応用可能です。

石油、石炭、天然ガスなどの再生不可能なエネルギー源が徐々に減少する中、クリーン エネルギーまたは再生可能エネルギーが人類の避けられない救世主として浮上しています1、2、3。 太陽エネルギーは、エネルギー危機や環境問題という大きな問題の解決を促進する、グリーンで持続可能な資源の優れた選択肢です4。 太陽電池の設計は、デバイス全体の効率、安定性、および拡張性のために、ヘテロ接合で光学バンドのアライメント 5 が行われるように行われます。 同様に、界面エンジニアリングとドーピング濃度は、キャリア輸送を強化し、再結合損失を制限する役割を果たします。 同様に、材料と不純物の品質、光吸収、光子の管理も太陽電池システムに大きく影響します。 一方、大規模生産では使用する材料のコストが非常に重要になります。 そのため、1982 年以来議論されてきた、使用される材料のコストと量に関する費用対効果の高い生産に関する研究に焦点が当てられています。 より薄い反射防止膜 (ARC)、窓、および吸収体層を備えた太陽電池の製造は、この点で非常に役立つアプローチの 1 つです。

現在、より高い安定性と靭性を備えた II-VI 族半導体化合物 (CdSe、ZnSe、ZnTe など) が、より高い太陽光発電性能を備えた有望な材料と考えられています 7。 ZnSe 自体は、高効率かつ低コストの窓層 8 として非常に有望な材料です。 CdSe と ZnSe は両方とも、波長 400 ～ 750 nm の可視領域における光子吸収能力が高くなります9。 CdSe は CdTe と非常によく似た特性を持ち、CdSe は高い吸収係数 (720 nm で α = 104 cm-1) を持つ直接バンドギャップ半導体でもあります10。 したがって、CdSe 太陽電池は、より高い電力変換効率 (PCE) を得るために太陽光を吸収するために非常に薄い (約 2 μm) フィルムだけを必要とします。 ZnSe は CdSe と比較して無毒な材料であり、より高い伝導帯エッジを持っています11。 さらに、ZnSe 材料は感光性があり、LED やレーザーに適したより広い直接バンドギャップを持ち 12,13、太陽電池の窓層に適したより広い透過範囲を備えています 14。 太陽電池にとっては高効率ですが、カドミウムは有毒な重金属です 15汚染を防止する必要がある環境に長期間さらされた場合。 CdSe は水分や酸素の存在下では安定性に限界があり、その劣化が太陽電池の性能と寿命に影響を与えます16。 したがって、コストと準備の複雑さに加えて、カプセル化または保護コーティングも必要です。 同様に、ZnSe と CdSe の間のバンドオフセットにより、キャリア再結合によって光生成キャリアが失われる可能性があります 17。 スケール生産は、層ごとに正確に制御された高品質の堆積技術を必要とする製造にとっては困難である可能性があります。 CdSe 吸収層ベースの太陽電池に関しては、CdS/CdSe 増感太陽電池における TiO2 光アノードの構造の変化が研究され、0.15 cm2 光活性領域で 4.92% PCE の二層光アノードが提案されるなど、いくつかの研究が行われています 18。 KCら。 は、GaAs 太陽電池用の吸収層と組み合わせた ZnSe 窓層を最適化しました8。 フレーゼら。 は、アルカリ性 K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 電解質中で 12.4% の変換効率を持つ CdSe 光電気化学太陽電池を発表しました 19。 アグミヨニら。 は、正孔の注入にペンタセンドープ PEDOT: PSS 層を使用しており、P3HT: CdSe ハイブリッド太陽電池の性能について光電気シミュレーションが研究されています。 層の仕事関数が 5.1 eV から 4.9 eV に減少し、その結果効率が向上したことがわかりました 7。 デイら。 は、吸収体 CdSe および n 型 ZnS バッファ層とともに AMPS-1D シミュレータを適用し、層の厚さ、ドーピング濃度、および温度を分析しました。 厚さ 1.2 μm の吸収体を備えた ITO/ZnS/CdSe 構造は、PCE = 17.35%、Jsc = 13.82 mA/cm2、Voc = 1.38 V、および FF = 0.90820 を示しました。 同様に、モニカら。 は、増感および不動態化後の CdS 太陽電池の効率を研究しました。 TiO2-CdS-CdSe を備えたタイプ II のヘテロ接合では、アノードへの電子の移動が 2 倍になり、PCE21 が向上しました。 アブダラメールら。 金属亜鉛シートと硝酸セレンを使用してZnSeナノ粒子を調製し、太陽電池の窓層としてプラズマジェットシステムを使用してそのコアセルを作成し、得られたn-ZnSe/p-Siの効率が0.89から2に調整されることが判明しました。 % と多孔質時間 (5 ～ 20 分)22.