Numerische Bewertung der optoelektrischen Eigenschaften von ZnSe

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 12193 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Arbeit wurde eine numerische Bewertung der optoelektrischen Eigenschaften des ZnO-ZnSe-CdSe-Heteroübergangs für eine dünne und kostengünstige Solarzelle mithilfe der PC1D-Simulationssoftware durchgeführt. Die photovoltaischen (PV) Eigenschaften wurden durch unterschiedliche Dicken der Absorberschicht der p-CdSe-Schicht, der Fensterschicht aus n-ZnSe und der Antireflexionsbeschichtungsschicht (ARC) aus ZnO, einem transparenten leitfähigen Oxid mit verbesserter Lichteinfangschicht, optimiert und Wide-Bandgap-Engineering. Es gibt einen positiven Leitungsbandversatz (CBO) von ΔEc = 0,25 eV und einen negativen Valenzbandversatz (VBO) von ΔEv = 1,2 − 2,16 = − 0,96 eV. Das positive CBO verhindert den Elektronenfluss von der CdSe- zur ZnSe-Schicht. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Dotierungskonzentration auf die Leistung von Solarzellen analysiert. Die Simulationsergebnisse zeigen die Steigerung der Effizienz von Solarzellen durch das Hinzufügen eines ARC. Der schnelle und starke Anstieg der Effizienz mit einer Dicke der Fensterschicht über 80 nm ist aufgrund der kombinierten Wirkung von Morphologie und Elektronik im Makro- bis Mikromaßstab interessant, ungewöhnlich und unkonventionell. Die Dünnschichtsolarzelle mit der Struktur ZnO/ZnSe/CdSe zeigte einen hohen Wirkungsgrad von 11,98 % bei einem Kurzschlussstrom (Isc) = 1,72 A, einer Leerlaufspannung (Voc) = 0,81 V und einem Füllfaktor (FF). = 90,8 % bei einer optimierten Dicke von 2 μm Absorberschicht, 50 nm Fensterschicht und 78 nm ARC-Schicht. Es wurde beobachtet, dass die EQE von Solarzellen bei einer bestimmten Wellenlänge bei 470 nm (Bereich des sichtbaren Lichts) bei etwa 90 % liegt. Der Wirkungsgrad einer solchen Dünnschichtsolarzelle beträgt etwa 12 % und ist durchaus anwendbar.

Mit dem allmählichen Rückgang nicht erneuerbarer Energiequellen wie Erdöl, Kohle und Erdgas sind saubere oder erneuerbare Energien zum unvermeidlichen Retter der Menschheit geworden1,2,3. Solarenergie ist eine hervorragende Option für grüne und nachhaltige Ressourcen, die die Lösung der enormen Probleme der Energiekrise und der Umweltbedenken erleichtern wird4. Das Design einer Solarzelle erfolgt so, dass am Heteroübergang eine optische Bandausrichtung5 vorliegt, um die Gesamteffizienz, Stabilität und Skalierbarkeit des Geräts zu gewährleisten. In ähnlicher Weise spielen Schnittstellentechnik und Dotierungskonzentration eine Rolle bei der Verbesserung des Ladungsträgertransports und der Begrenzung von Rekombinationsverlusten. Ebenso haben die Qualität des Materials und der Verunreinigungen, die Lichtabsorption und das Photonenmanagement großen Einfluss auf das Solarzellensystem. Andererseits spielen die Kosten des verwendeten Materials bei der Massenproduktion eine große Rolle. So stehen seit 1982 konsequente Untersuchungen zur wirtschaftlichen Produktion im Hinblick auf Kosten und Materialeinsatz im Fokus. Die Herstellung von Solarzellen mit einer dünneren Antireflexbeschichtung (ARC), einem dünneren Fenster und einer dünneren Absorberschicht ist einer der Ansätze, die in dieser Hinsicht erheblich helfen.

Derzeit gelten II-VI-Halbleiterverbindungen (wie CdSe, ZnSe und ZnTe) mit höherer Stabilität und Haltbarkeit als vielversprechende Materialien mit höherer Photovoltaikleistung7. ZnSe selbst ist ein viel vielversprechenderes Material für Fensterschichten8 mit hoher Effizienz und niedrigen Kosten. CdSe und ZnSe haben beide eine höhere Kapazität zur Photonenabsorption im sichtbaren Bereich der Wellenlänge 400–750 nm9. CdSe hat sehr ähnliche Eigenschaften wie CdTe und CdSe hat auch einen Halbleiter mit direkter Bandlücke und einem hohen Absorptionskoeffizienten (α = 104 cm−1 bei 720 nm)10. Daher benötigt die CdSe-Solarzelle nur einen sehr dünnen (~ 2 µm) Film, um das Sonnenlicht zu absorbieren und so eine höhere Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) zu erreichen. Das ZnSe ist im Vergleich zu CdSe ein ungiftiges Material und hat eine höhere Leitungsbandkante11. Darüber hinaus ist ZnSe-Material lichtempfindlich mit einer größeren direkten Bandlücke, die für LEDs und Laser geeignet ist12,13 und mit einem größeren Transparenzbereich für die Fensterschicht von Solarzellen 14. Obwohl es für Solarzellen hocheffizient ist, ist Cadmium ein giftiges Schwermetall15 bei langfristiger Einwirkung der Umwelt, die vor einer Kontamination geschützt werden muss. Das CdSe weist in Gegenwart von Feuchtigkeit und Sauerstoff eine begrenzte Stabilität auf, deren Abbau sich auf die Leistung und Lebensdauer der Solarzellen auswirkt16. Daher ist neben den Kosten und der Komplexität der Herstellung auch die Einkapselung oder Schutzbeschichtung erforderlich. In ähnlicher Weise kann ein Bandversatz zwischen ZnSe und CdSe dazu führen, dass die photogenerierten Träger durch Trägerrekombination verloren gehen17. Die Produktion im Maßstab kann eine Herausforderung für die Fertigung darstellen, die eine hochwertige Abscheidungstechnik mit präziser Kontrolle von Schicht zu Schicht erfordert. Mehrere Studien wurden an der auf einer CdSe-Absorberschicht basierenden Solarzelle durchgeführt, beispielsweise wurden die Änderungen in der Struktur der TiO2-Photoanode in CdS/CdSe-sensibilisierten Solarzellen untersucht und die Doppelschicht-Photoanode mit 4,92 % PCE bei einer photoaktiven Fläche von 0,15 cm2 weitergeleitet18. KC et al. hat die ZnSe-Fensterschicht in Kombination mit der Absorberschicht für GaAs-Solarzellen optimiert8. Frese et al. hat eine photoelektrochemische CdSe-Solarzelle mit einem Umwandlungswirkungsgrad von 12,4 % im alkalischen K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6-Elektrolyten vorgestellt19. Aghmiyoni et al. haben Pentacen-dotierte PEDOT:PSS-Schichten für die Injektion von Löchern verwendet und ihre optoelektrischen Simulationen wurden zur Leistung von P3HT:CdSe-Hybridsolarzellen untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Austrittsarbeit der Schicht von 5,1 auf 4,9 eV reduziert wurde, wodurch die Effizienz verbessert wurde7. Dey et al. verwendeten einen AMPS-1D-Simulator zusammen mit dem Absorber CdSe und der n-Typ-ZnS-Pufferschicht und analysierten die Dicke der Schicht, die Dotierungskonzentration und die Temperatur. Die ITO/ZnS/CdSe-Struktur mit einem 1,2 μm dicken Absorber wies PCE = 17,35 %, Jsc = 13,82 mA/cm2, Voc = 1,38 V und FF = 0,90820 auf. In ähnlicher Weise haben Monika et al. untersuchten die Effizienz von CdS-Solarzellen nach Sensibilisierung und Passivierung. Die Heteroübergänge vom Typ II mit TiO2-CdS-CdSe zeigten eine Verdoppelung der Elektronenübertragung zur Anode, was den PCE21 verstärkt. Abdalameer et al. stellten die ZnSe-Nanopartikel unter Verwendung von Zinkblechen und Selennitrat und ihrer Kernzelle mit dem Plasmastrahlsystem für die Fensterschicht der Solarzelle her und es wurde festgestellt, dass das resultierende n-ZnSe/p-Si einen Wirkungsgrad von 0,89 bis 2 aufweist % mit der Porenzeit (5–20 Min.)22.

Mit der Erwartung, die oben genannten Umwelteinflüsse und andere effizienzbegrenzende Probleme zu begrenzen, wird die Antireflexionsbeschichtungstechnik (ARC) bevorzugt. Die maximale Absorption der Sonnenstrahlung auf der Solarzelle ist die größte Herausforderung, die durch die Verwendung einer ARC-Schicht wie ZnO, SiNx, MgO, TiO2, Al2O3, ZnS usw. erreicht werden kann.23 Unter diesen ist ZnO aufgrund seiner großen Bandlücke (3,44 eV bei niedriger Temperatur und 3,37 eV bei Raumtemperatur) effizienter, was zu einer größeren Transparenz im sichtbaren und nahen ultravioletten Bereich des Spektrums führt24. Aufgrund seiner größeren Bandlücke und guten Antireflexionseigenschaften kann ZnO leicht als Oxid für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen hergestellt werden25. ZnO-Beschichtungen können auch als lichteinfangende Strukturen wirken und so die Lichtabsorption innerhalb der Solarzelle verbessern. Die ZnO-Oberfläche hat die Fähigkeit, Licht zu streuen, wodurch der Weg der Photonen innerhalb der Zellen verlängert und die Absorption gefördert wird. Dieser Lichteinfangeffekt ist besonders vorteilhaft für Dünnschichtsolarzellen, bei denen eine höhere Lichtabsorption die dünneren aktiven Schichten ausgleichen kann26. ZnO-Beschichtungen weisen eine hohe mechanische und chemische Stabilität auf, was ihre Haltbarkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen erhöht27. Es werden auch andere ARC-Beschichtungen wie TiO2 und MgF2 untersucht, deren Fähigkeit, die Reflexion über einen breiten Wellenlängenbereich zu minimieren, war jedoch eingeschränkt28. Sie waren nicht beständig gegenüber Feuchtigkeit, UV-Licht oder anderen extremen Bedingungen, die zu einer Verschlechterung ihrer Beschichtungen führten, was zu einer Verringerung ihrer Antireflexionseigenschaften und der allgemeinen Leistung in Solarzellen führte29. Die Bandlücke von ZnO beträgt ~ 3,37 eV, MgF2 (Magnesiumfluorid) beträgt ~ 7,8 eV und die von TiO2 (Anatase & Rutil) beträgt ~ 3,0–3,2 eV. Flores et al. berichteten in ihrer rechnergestützten Bandlückenausrichtungsstudie, dass ZnO/ZnSe mit einer Kern-Schale-Bandlücke von ~ 1,71 eV30 und einer Typ-II-Bandlückenausrichtung31 gut für Photovoltaikgeräte geeignet ist.

Die Verwendung von ZnO in Kombination mit ZnSe-CdSe scheint spezifisch und neu zu sein. Die Bandlückenenergie von ZnSe–CdSe und die damit verbundenen optischen Eigenschaften können einen Unterschied in der Leistung der Solarzelle bewirken. Darüber hinaus zeigt die ZnO-ZnSe-CdSe-Kombination eine photoelektrochemische Leistung für das Phänomen des In-Anionen-Austauschs32. Die ZnO-beschichtete Solarzelle weist laut Ahmmed et al.17 auch einen PCE-Solarzellenanteil auf CdS/CdTe-Basis von maximal 28,04 % auf. Infolgedessen wird die neue Kombination ein einschichtiges ARC-ZnO-Material (SLARC) für die Solarzelle sein ZnSe- und CdSe-Solarzellen zur Verbesserung der Effizienz der vorgeschlagenen Solarzelle. Die Voruntersuchung bestimmt die weitere Untersuchung hinsichtlich Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit.

In dieser Arbeit wurde das PC1D-Simulationstool zur Untersuchung der optoelektronischen Eigenschaften von ZnO-ZnSe-CdSe-Solarzellen verwendet, wobei die photovoltaischen Parameter mit der Variation der Dicke der Absorber-, Fenster- und Antireflexionsschichten durch deren Optimierung analysiert wurden.

Die Gerätearchitektur der vorgesehenen Solarzelle ist wie in Abb. 1. In dieser schematischen Struktur wurde CdSe als Absorberschicht gewählt und fungiert als p-Typ-Material. In ähnlicher Weise wurde ZnSe als Fensterschicht ausgewählt, die als n-Typ-Material fungiert und zwischen der ZnO-ARC-Schicht und dem p-Typ-Material mit einer Gerätefläche von jeweils 100 cm2 liegt. Die Elektrodenmaterialien der meisten Halbleiter sind aufgrund ihres niedrigen VBO, d. h. niedriger Valenzbarriere und Elektronenreflexionsfähigkeit, und höherem CBO gut. Die geeignete Wahl des Materials für den Rückkontakt verbessert die Kurzschlussstromgrenze der CdSe-Schicht33. Allerdings haben wir Silber (Ag) als hintere Kontaktelektrode und Aluminium (Al) als vordere Kontaktelektrode verwendet, da wir es in unserer vorherigen Arbeit integriert haben34.

Schematische Darstellung einer ZnSe/CdSe-Solarzelle mit ZnO als ARC.

Es gibt verschiedene Simulationssoftware für Solarzellen, unter anderem wurde die PC1D-Simulation aufgrund der freien Verfügbarkeit, Open Source und langen Veröffentlichungsgeschichte ausgewählt35. Das PC1D-Tool wird verwendet, um die optoelektrischen Eigenschaften der ZnSe-CdSe-Solarzelle mit den in Tabelle 136,37,38,39,40,41 aufgeführten Einsatzparametern zu simulieren. Die Standard-Sonnenstrahlungs- und Lichtintensitäten betragen AM 1,5 und 0,1 W/cm2 (eine Sonne) bei einer Temperatur von 25 °C.

Die Bandausrichtung (BA) und Bandversätze (BO)42 spielen eine entscheidende Rolle für die Lichtreflexion, die Übertragung von Photoladungsträgern und damit für die Effizienz der Solarzelle5,43. Es gibt drei Arten der Bandausrichtung: (a) Typ I (Straddling Gap): Das Leitungsband (CB) und das Valenzband (VB) des zweiten Bandes sind niedriger und höher als das des ersten, was dazu führt, dass dessen Bandlücke kleiner ist von zuerst. (b) Typ II (versetzte Lücke): Sowohl der CB als auch der VB des zweiten sind niedriger als der erste. (c) Typ III (Unterbrochene Lücke): Es gibt eine Überlappung des CB des zweiten mit dem VB des ersten, was zu einer Bandlücke von Null zwischen ihnen führt.

Das schematische Bandausrichtungsdiagramm der ZnO-ZnSe-CdSe-Solarzelle ist in Abb. 2 dargestellt. Beide Ausrichtungen sind vom Typ II und zeigen die Wanderung von Photoelektronen von beiden Übergängen auf das ZnO. Hier werden die Elektronen beim Einfall von Photonen auf das Substrat zum CB angeregt, wodurch ein Loch im VB entsteht. Durch Licht erzeugte Ladungsträger wurden unter der Beleuchtung in Halbleitern getrennt. Die durch einfallendes Licht angeregten Elektronen sprangen in das Leitungsband (CB), während die Löcher im Valenzband (VB) zurückblieben. Die angeregten Elektronen werden in CB von einem stärkeren auf ein weniger negatives Potenzial übertragen, und das erzeugte Loch wird in VB44 von einem positiveren zu einem weniger positiven Potenzial übertragen. Zusammen mit den von ZnO emittierten Elektronen fließen sie auf den äußeren Stromkreis. Am anderen Ende wandern die Löcher von ZnO in seinem VB zum VB von ZnSe und dann zusammen zum VB von CdSe. Dieses System hat die PEC aufgrund der enormen Lichtsammelkapazität von CdSe und der neuartigen Bandstruktur dieser kombinierten Heteroübergänge mit der Fähigkeit zur Übertragung und Trennung der Ladungen verbessert. Diese Kombination stimmt gut mit der experimentellen Arbeit von Lin & Wang45 überein.

Bandausrichtung und -versatz der ZnO-ZnSe-CdSe-Solarzelle.

Wenn die beiden Energiebänder der Halbleiter ausgerichtet sind, kommt es zu Wechselwirkungen, und aufgrund der diskontinuierlichen Bandstruktur wird während der gesamten Kombination ein kontinuierliches Fermi-Niveau aufrechterhalten. Diese relative Ausrichtung ist der Bandversatz. Die Grenzflächen- und Volumeneigenschaften geben den Bandversatz an und können entsprechend modifiziert werden46. Darüber hinaus wird der Bandversatz in den heterovalenten Verbindungen durch Geometrie, Orientierung, Grenzflächenbindungen und Ladungstransfer zwischen ihnen beeinflusst47. Die Banddiskontinuität (Unterschied in der Bandlücke von Valenzband und Leitungsband) und das eingebaute Potential (die Bänder verbiegen sich an der Grenzfläche aufgrund eines Ladungsungleichgewichts in den beiden Halbleitern) ergeben den Bandversatz gemäß der Poisson-Gleichung.

Abbildung 2 zeigt den Leitungsbandversatz (CBO) und den Valenzbandversatz (VBO) zusammen mit der Elektronenaffinität und der Bandlücke über die Verbindungsschnittstelle. Die zentrale oder Pufferschicht hat eine Energielücke von 2,82 eV und eine Elektronenaffinität von 0,64 eV. Es weist ein positives BVO und ein negatives CBO auf, was eine Verringerung der Trägerrekombination zeigt. Seine Aktivierungsenergie ist größer als die des Absorbers46,48. Die Elektronenaffinität von ZnSe (~ − 0,64 eV) ist niedriger als die von CdSe (~ − 0,50 eV), was auf die Möglichkeit eines positiven CBO mit ΔEc = 0,25 eV und eines negativen VBO mit ΔEv = 1,2–2,16 = − 0,96 eV hinweist. Das positive CBO verhindert den Elektronenfluss von der CdSe- zur ZnSe-Schicht. Nach dem Lichteinfall auf die Oberfläche eines Materials wird ein Teil davon reflektiert, was die Absorption und Transmission der Photonen verringert, deren Energie von der Bandlücke des Materials abhängt. Wenn die Energie der reflektierten Fotos mit den Leitungs- und Valenzbandkanten des Materials übereinstimmt oder mit diesen ausgerichtet ist, erhöht sich die Ladungsträgerkonzentration. Es kommt zu einer Übertragung von Elektronen oder Löchern, wodurch der Rekombinationsprozess verringert wird. Das BO in den Heteroübergängen oder Grenzflächen zwischen den verschiedenen Materialien verringert also die Übertragung und beschleunigt den Rekombinationsprozess42. Der BA oder BO in der Grenzfläche hängt von der Oberflächenbeschichtung, den Grenzflächenschichten oder der Dotierung ab, die nach der Optimierung die Transmission verbessert und die Rekombination reduziert, um die Effizienz optoelektronischer Geräte zu steigern49.

Die Dicke der Absorber- und Fensterschicht spielt eine entscheidende Rolle für die Leistung der Solarzellen. Mit zunehmender Dicke der Absorberschicht fängt sie mehr Sonnenstrahlung ein und erzeugt dadurch mehr Ladungsträger50. Während die Fensterschicht in Kombination mit der Absorberschicht in einer Heteroübergangs-Dünnschichtsolarzelle einen ap-n-Übergang bildet, um eine größere Bandlücke bei geringerer Dicke und geringerem Serienwiderstand zu erhalten51. Die Dicke beeinflusst Isc, Voc, PCE und FF der PV-Zelle und liegt voraussichtlich im Bereich von 0,5–3 µm für den Absorber und von 10 bis 100 nm für die Fensterschicht. Die Zunahme der Absorberschicht erhöht Isc von 0,791 auf 1,638 A, wie in Abb. 3a. Dies ist darauf zurückzuführen, dass mehr Photonen absorbiert werden, wodurch bei höherer Dicke mehr Elektronenpaare und somit mehr Photostrom erzeugt werden52. Die Voc sinkt von 0,813 auf 0,800 V mit zunehmender Dicke der Absorberschicht, wie in Abb. 3a, aufgrund der stärkeren Trägerrekombination bei höherer Dicke19. In ähnlicher Weise steigt die Effizienz, aber der Füllfaktor (FF) nimmt mit der Dicke der Absorberschicht ab, da bei höherer Dicke mehr Ladungsträgerrekombination auftritt. Der Effizienzwert steigt von 6,04 auf 10,92 %, während FF von 93,74 auf 83,29 % sinkt, indem die Dicke der Absorberschicht von 0,5 auf 3 µm variiert wird, wie in Abb. 3b. Die optimierten Werte von Isc = 1,404 A, Voc = 0,805 V, PCE = 9,47 % und FF = 83,76 % wurden bei der optimierten Dicke der Absorberschicht von 2 µm beobachtet.

Analyse von (a) Isc und Voc (b) Effizienz und FF mit der Dicke der Absorberschicht der Solarzelle.

Folglich steigt der Wert von Isc von 1,392 auf 1,628 A und der Wert von Voc sinkt von 0,807 auf 0,778 V mit zunehmender Dicke der Fensterschicht, wie in Abb. 4a. Außerdem nimmt die Effizienzsteigerung mit zunehmender Fensterschicht und FF bei höherer Dicke ab. Der Effizienzwert steigt von 9,43 auf 10,51 %, während FF von 83,89 auf 82,91 % abnimmt, indem die Dicke der Fensterschicht von 10 auf 100 nm variiert wird, wie in Abb. 4b. Die optimierten Werte von Isc = 1,404 A, Voc = 0,805 V, PCE = 9,473 % und FF = 83,79 % wurden bei der optimierten Dicke der Fensterschicht von 50 nm beobachtet. Die Optimierung der geringeren Dicke der Materialschichten der Solarzelle trägt dazu bei, die Herstellungskosten zu senken.

Analyse von (a) Isc und Voc (b) Effizienz und FF mit der Dicke der Fensterschicht der Solarzelle.

Die Fensterschicht aus ZnSe minimiert den Reflexionsverlust, indem sie das einfallende Licht in Richtung der Absorberschicht ermöglicht. Die Schichten sind so optimiert, dass sie ein Maximum an Photonen durchlassen. Ebenso kann die relativ dickere ZnSe-Schicht einen gewissen Prozentsatz des einfallenden Lichts absorbieren und Ladungsträger erzeugen, die zur Photostromerzeugung beitragen, was letztendlich den Strom erhöht und so zu einer besseren Effizienz der Zelle führt53. Um eine dünnere Gerätestruktur zu erreichen, wie es Rickus 1982 mit dem verwendeten Material und dem Kompromiss zwischen Transmission und Absorption getan hat, wurde die Dicke der Fensterschicht auf 50 nm festgelegt. Das relativ dickere einschichtige ZnSe für eine höhere Photostromdichte führt zu der innovativen Anwendung6,54. In Abb. 4b kann die zunehmende Effizienz mit der Dicke des Absorbers ohne Sättigung auf die Berücksichtigung des Bereichs innerhalb der Absorptionsgrenze zurückzuführen sein. Die Sättigung wird nur dann erreicht, wenn das absorbierende Material nicht zur Absorption frischen Lichts beiträgt. Vielmehr absorbiert es die bereits absorbierten Photonen wieder55. Die Rekombination der Ladungsträger, eine längere Diffusionslänge, ein Serienwiderstand und die Materialqualität können eine Rolle dabei spielen, dass das System nicht in die Sättigung gelangt.

Der starke Anstieg von Strom und Effizienz (Abb. 4a, b) über 80 nm hinaus zeigt das ungewöhnliche und unerwartete Verhalten der Solarzelle auch nach der wiederholten Simulation. Konventionsgemäß können wir die Dicke der Fensterschicht nicht stärker im Verhältnis zur aktiven oder absorbierenden Schicht betrachten. Gleichzeitig kam es zu einem starken Rückgang des Füllfaktors, weshalb wir nicht über 80 nm hinauskamen. Der starke Anstieg könnte auf die Beschränkung des PC1D-Simulators zurückzuführen sein, oder es kann zu einem Zusammenbruch der Verbindung kommen56, wodurch alle Bindungen aufgebrochen werden und eine große Anzahl von Elektron-Loch-Paaren entsteht. Dieses Verhalten wird jedoch von Sun et al. gut dargelegt. 2012, die eine ZnSe-Schicht mit einer Dicke von fast 40 nm hergestellt haben. Sie haben herausgefunden, dass die ZnSe-Einzelschichten eine deutlich höhere Photostromdichte, eine deutlich höhere einfallende Photonen-Strom-Effizienz (IPCE) von etwa 42,5 % (Massengegenstück hat 0,25 %) und eine viel bessere Photostabilität aufgrund des kombinierten Effekts der Morphologie aufweisen und Elektronik im Makro- bis Mikromaßstab54. Sie haben einzigartige und ungewöhnliche elektronische Strukturen für ultradünne Dicken zusammen mit ihrer höheren Trägermobilität (t = d2/k2D (d ist die Partikelgröße, k ist eine Konstante, D ist der Diffusionskoeffizient von Elektron-Loch-Paaren)57 und gut verbundene Korngrenze58,59. Der Ladungsübertragungswiderstand der vier Atomschichten war am niedrigsten, was zu einem viel höheren Trägertransport mit einer niedrigen Korrosionsrate führte54. Ihre synergistische Oberflächenverzerrung führt zu Photostabilität. Der Kontakt mit ZnO, ITO (Indiumzinnoxid), usw. erleichtert den Elektronenfluss im externen Stromkreis. Dies ist mit dem Massengegenstück von ZnSe oder in Gegenwart von Molekülen nicht möglich. Sie haben die verzerrte Oberfläche mit Röntgenabsorptions-Feinstruktur (XAFS) untersucht und dabei ihre einzigartige und einzigartige Wirkung gezeigt Hervorragende strukturelle Stabilität, verbesserte Photokonvertierungseffizienz und Photostabilität. Es wurde eine Photostromdichte von 2,14 mAcm−2 erreicht, was 195-mal höher ist als die der Massenform. Sie haben über ihre Ergebnisse berichtet und erwähnt, dass dieses Verhalten der ZnSe-Dünnschicht neue Wege eröffnet hat für die Schaffung einer Reihe beispiellos hervorragender Eigenschaften54.

In ihrem Experiment stand ZnSe in Kontakt mit ITO. Stolarska et al. Im Jahr 2017 wurde anhand der Ökobilanztechnik festgestellt, dass ZnO ein robustes Alternativmaterial für den ITO-Ersatz hinsichtlich der Umweltbelastung und der Energieeffizienz des Abscheidungsprozesses ist. Es ist auch für die nachhaltige Herstellung transparenter leitfähiger Oxidschichten von entscheidender Bedeutung. Es handelt sich dabei um eine Technik zur Lebenszyklusbewertung (LCA)60. Das in unserer Simulationsarbeit erzielte Ergebnis stimmt nahezu gut mit der oben genannten Literatur überein.

Die Leistung der Solarzelle hängt von der Dotierungskonzentration in den verschiedenen Schichten der Solarzelle ab61. In dieser Arbeit ist die CdSe-Absorberschicht p-dotiert und die ZnSe-Fensterschicht n-dotiert. Der Einfluss der Dotierungskonzentration der Absorber- und Fensterschicht auf elektrische Eigenschaften wie Strom und Leistung wurde durch Variation von 1 × 1016–1 × 1020 cm−3 analysiert. Der höchste Wert von Strom (I) = 1,402 A und Leistung (P) = 0,952 W wurde bei einer optimierten Dotierungskonzentration von 1 × 1017 cm−3 in der Absorberschicht erhalten, wie in Abb. 5a. In ähnlicher Weise wurde der höchste Wert von Strom (I) = 1,404 A und Leistung (P) = 0,901 W bei einer optimierten Dotierungskonzentration von 1 × 1017 cm−3 in der Fensterschicht erhalten, wie in Abb. 5b. Der optimierte Wert der Dotierungskonzentration 1 × 1017 cm−3 wurde in beiden Fällen der Absorber- und Fensterschicht gut erfüllt.

Analyse der Dotierungskonzentration von (a) Absorberschicht (CdSe p-Typ), (b) Fensterschicht (ZnSe n-Typ) der Solarzelle.

Der drastische Leistungsabfall, der durch eine höhere Dotierungskonzentration in entarteten Halbleitern verursacht wird, ist hauptsächlich auf die erhöhte Trägerstreuung, Auger-Rekombination, Fermi-Level-Pinning, nichtideale Bandstruktur usw. zurückzuführen62,63,64. Die Optimierung der Dotierungskonzentration ist für eine ausgewogene Erhöhung der Trägerkonzentration und die Minimierung ihrer schädlichen Auswirkungen auf die Geräteleistung erforderlich. Darüber hinaus wurde die Kompatibilität zwischen den Eingabe- und Ausgabeparametern optimiert, um die Gesamtleistung des Systems zu erhalten. Daher wird zum Zeitpunkt der Optimierung hinsichtlich des Ziels, der Simulationsmodellierung, der Leistungsmetriken und der Analyse der Ergebnisse größere Sorgfalt angewendet. Die Daten werden stets wiederholt, verfeinert und validiert. Die Dicke der Absorber- und Fensterschicht ist auf eine bessere Leistung des gesamten Systems ausgerichtet.

Die Optimierung der Fensterschichtdicke hängt von den Antireflexionseigenschaften ab, die 50 nm (dh 50 × 10–9 m) als optimierte Dicke zwischen 30 und 100 nm betragen. Der Absorber aus CdSe variierte zwischen 0,5 und 3 μm (dh 50 × 10–6 m) und ist bei 2 μm optimiert. Die Dicke hängt auch vom Brechungsindex oder der optischen Energiedichte des Materials ab. Die Fensterschicht soll die Absorption des Lichts gewährleisten und es an die Absorberschicht weiterleiten. Die gewählte Dicke erleichtert die effiziente Extraktion und Sammlung von Ladungsträgern aus der Absorberschicht. Bei dieser Dicke ist die Rekombinationsrate minimal und bietet den Ladungsträgern einen effektiven Weg zur Elektrode. Diese Schicht sollte eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit für einen effizienten Ladungstransport oder einen niedrigen Schichtwiderstand sowie Materialkompatibilität aufweisen. Diese Dicke ist für die Abscheidung von fast 5 Atomlagen von ZnSe über dem CdSe-Substrat möglich, was wir kürzlich für das dünnere MXene-Oxid durch Pulse-Laser-Abscheidungsmethode praktiziert und die Oberfläche mit der RHEED-Technik65 analysiert haben.

Die Effizienz von Solarzellen kann durch Hinzufügen einer ARC-Schicht gesteigert werden, die den Reflexionsgrad der Sonnenstrahlung verringert66,67. Der Einfluss der Dicke der ARC-Schicht auf PV-Eigenschaften wie Isc, Voc, Effizienz und FF wurde durch Variation der Dicke von 31 bis 107 nm bewertet und bei 78 nm optimiert. Die numerischen Werte von Isc = 1,76 A, Voc = 81 V, PCE = 11,92 % und FF = 83,5 % wurden bei der optimierten Dicke des ARC wie in Abb. 6 erreicht.

Analyse von (a) Isc und Voc (b) Effizienz und Füllfaktor mit der Dicke der ZnO-ARC-Schicht der Solarzelle.

Die ungleichmäßige Dicke, Defekte, Verunreinigungen in der Abscheidungskammer, herkömmliche Reinigungsverfahren und ein schlechter ZnO-Film beeinträchtigen den ARC durch Streuung des Lichts68. Zur Verbesserung sollte das Substrat hinsichtlich seines Wärmeausdehnungskoeffizienten, seiner Kristallstruktur und der daraus resultierenden Spannungen und Defekte im Film kompatibel sein. Die Keimbildung und die Wachstumskontrolle sind weitere Maßnahmen für einen guten Film65. Eine geeignete Abscheidungstechnik sollte unter kontrollierter Temperatur, Druck und Durchflussrate des Ablagerungsmaterials sowie der Abscheidungsgeschwindigkeit angewendet werden. Folglich sollte das Glühen nach der Abscheidung für eine qualitativ hochwertige Kristallbildung optimiert werden. Die Dicke der Ablagerung sollte gleichmäßig sein. Die Abscheidungstechnik, die wir kürzlich zur Bildung einer Oxidschicht bei der Herstellung von MXene Oxide verwendet haben, ist zur Bewältigung dieser Herausforderung vorzuziehen65. Die Vorbereitung der einschichtigen ARC (SLARC)-ZnO-Abscheidung auf der ZnSe-CdSe-Solarzelle kann durch eine neuartige Technik erreicht werden, die bisher in diesem Bereich angewendet wird. Das verbesserte Lichteinfangen, die Technik mit großer Bandlücke, die vereinfachte Gerätestruktur, die Kompatibilität mit ZnO als transparentes leitfähiges Oxid und die Skalierbarkeit und Vielseitigkeit können zur Neuheit dieses Typs von Heteroübergangssolarzellen führen.

Der Effekt einer Erhöhung der ARC-Dicke und der elektrischen Leistung hängt vom Gerätemodell und seinem Material ab. Die Optimierung der ARC-Dicke kann die Lichtabsorption durch optische Interferenz, Impedanzanpassung und Reduzierung des Reflexionsverlusts verbessern3. Allerdings ist auf den erhöhten Serienwiderstand zu achten, der den Spannungsverlust erhöht und dadurch den Füllfaktor und die Effizienz insgesamt verringert3. Folglich wird die Ansammlung von Ladungsträgern, die in der aktiven Schicht erzeugt werden, mit der Erhöhung der Rekombinationsraten oder der längeren Ladungsträgerdiffusionslänge verringert. Ebenso besteht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teil des einfallenden Lichts daran gehindert wird, die aktive Schicht zu erreichen3. Mit der Weiterentwicklung der Technologien ist die Abscheidung einer solchen dünneren Schicht von 50 nm (~ 5 Atomdicke)69 auch für Experimente möglich, die wir kürzlich für eine sehr empfindliche MXene-Schicht einbezogen und die Oberfläche analysiert haben65.

Das Reflexionsvermögen der Sonnenstrahlung auf der Oberfläche von Solarzellen spielt eine entscheidende Rolle bei der Steigerung der Photostromerzeugungsrate. Die ARC-Schicht auf der Oberfläche der Solarzelle hilft, einfallende Photonen zu absorbieren, verringert den Reflexionsgrad und erhöht den Isc aufgrund destruktiver Interferenz67,70. Die entsprechende Dicke der ARC-Schicht kann nur destruktive Interferenz erzeugen. Die Dicke (d1) der ARC-Schicht, um eine Viertelwellenlängenbeschichtung aus einem transparenten Material zu erhalten, ist gegeben durch71,

Und,

Dabei sind η1, \({\upeta }_{0, } und {\upeta }_{2}\) die Brechungsindizes des Beschichtungsmaterials, der Luft bzw. der Fensterschicht und λ0 die Wellenlänge des einfallenden Lichts bei einer Wellenlänge. Durch die Verwendung der Gleichungen. (1) und (2) haben wir die Dicke der ZnO-ARC-Schicht berechnet. Die Reflexionsspektren verschiedener Dicken der ZnO-ARC-Schicht wurden zwischen 300 und 1000 nm Wellenlänge untersucht. Der durchschnittliche Reflexionsgrad beträgt 18,91 %, 12,2 %, 7,53 %, 6,45 %, 6,61 % und 8,07 % bei einer Dicke von 31 nm, 47 nm, 63 nm, 78 nm, 93 nm bzw. 107 nm im Bereich von 400 –1000 nm Wellenlänge wie in Abb. 7a. Der minimale durchschnittliche minimale Reflexionsgrad (Rav) von 6,45 % wurde bei einer Dicke der ZnO-ARC-Schicht von 78 nm aufgrund perfekter destruktiver Interferenz72 erreicht. Die I-V- und P-V-Eigenschaften von Solarzellen mit und ohne ARC-Schichten wurden jeweils mit einer optimierten Dicke der ARC-Schicht analysiert, wie in Abb. 7b. Die numerischen Werte von I = 1,77 A und P = 1,2 W wurden mit der ARC-Schicht gezeigt, während I = 1,4 A und P = 0,95 W ohne die ARC-Schicht wie in Abb. 7b, was darauf hinweist, dass die ARC-Schicht abgeschieden wurde verbesserte den PCE der Solarzelle. Zusätzlich wurden die I-V- und P-V-Eigenschaften von Solarzellen bei unterschiedlichen Dicken der ARC-Schicht analysiert (siehe Abb. 7a). Die numerischen Werte von I = 1,77 A und P = 1,2 W wurden bei der optimierten Dicke der ARC-Schicht wie in Abb. 8a angezeigt. Die gemeldeten PV-Eigenschaften von ZnSe-CdSe-Solarzellen wurden in Tabelle 2 zusammengefasst und die optimierten und empfohlenen sind in Tabelle 3 aufgeführt. Darüber hinaus wurde das detailliertere Verhalten der Solarzelle mit der Methode der externen Quanteneffizienz (EQE) in a analysiert spezifizierter Wellenlängenbereich (300–1000 nm)73,74. Die EQE von Solarzellen wurde bei einer bestimmten Wellenlänge von 470 nm (Bereich des sichtbaren Lichts) bei etwa 90 % beobachtet, wie in Abb. 8b. Daher zeigt diese Simulationsstudie optoelektrischer Eigenschaften, dass die ZnSe-CdSe-Solarzelle mit ZnO-ARC-Schicht kostengünstig ist, einen Wirkungsgrad von fast 12 % erreicht und mit sichtbarem Licht stimuliert wird.

Analyse von (a) Reflexionsgrad mit der Dicke der ARC-Schicht (b) I-, P-V-Eigenschaften der Solarzelle mit oder ohne ARC-Schicht.

Analyse von (a) I, P-V-Kurve (b) EQE bei unterschiedlichen Dicken der ARC-Schicht der Solarzelle.

Die numerische Analyse der optoelektrischen Eigenschaften von ZnSe-CdSe-Solarzellen wurde erfolgreich mit dem PC1D-Simulationstool untersucht. Wir haben die Bandausrichtung und den Bandversatz über den Heteroübergang der Solarzelle untersucht. Die Elektronenaffinität von ZnSe (~ − 0,64 eV) ist niedriger als die von CdSe (~ − 0,50 eV), was auf die Möglichkeit eines positiven CBO mit ΔEc = 0,25 eV und eines negativen VBO mit ΔEv = 1,2–2,16 = − 0,96 eV hinweist. Das positive CBO verhindert den Elektronenfluss von der CdSe- zur ZnSe-Schicht. CBOF von Die Simulationsergebnisse zeigen die steigende Effizienz von Solarzellen durch Hinzufügen einer Antireflexionsbeschichtung. Die photovoltaischen Eigenschaften wurden durch unterschiedliche Dicken der p-CdSe-Absorberschicht, der n-ZnSe-Fensterschicht und der ZnO-ARC-Schicht optimiert und auch die Auswirkung der Dotierungskonzentration auf die Solarzellenleistung untersucht. Der minimale durchschnittliche minimale Reflexionsgrad (Rav) von 6,45 % wurde bei einer Dicke der ZnO-ARC-Schicht von 63 nm aufgrund perfekter destruktiver Interferenz erreicht. Die ZnO/ZnSe/CdSe-Solarzelle zeigte einen hohen Wirkungsgrad von 11,98 % mit Isc = 1,72 A, Voc = 0,81 V und FF = 90,8 % bei einer optimierten Dicke von 2 μm Absorberschicht, 50 nm Fensterschicht und 78 nm ARC Schicht. Der Wirkungsgrad und der Kurzschlussstrom steigen nach einer Dicke der ZnSe-Fensterschicht von 80 nm schnell und ungewöhnlich an, was auf die Möglichkeit der Bildung einer großen Anzahl von Elektron-Loch-Paaren aufgrund der kombinierten Wirkung von Morphologie und Elektronik auf Makro- bis Mikroebene hinweist Skala. was in guter Übereinstimmung mit der bisherigen Literatur steht. Somit zeigten die optoelektrischen Eigenschaften dieser Studie, dass die auf ZnSe-CdSe-Solarzellen basierende ZnO-ARC-Schicht kostengünstig, durch sichtbares Licht angeregt und effizient für die Herstellung von Hochleistungssolarzellen innerhalb der optimierten Grenze ist.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Korrespondenz mit D. Parajuli.

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Eingegangen: 18. Mai 2023

Angenommen: 17. Juli 2023

Veröffentlicht: 27. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38906-z

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