Valutazione numerica delle proprietà optoelettriche di ZnSe

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12193 (2023) Citare questo articolo

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In questo lavoro, è stata effettuata una valutazione numerica delle proprietà optoelettriche dell'eterogiunzione ZnO-ZnSe-CdSe per una cella solare sottile ed economica utilizzando il software di simulazione PC1D. Le proprietà fotovoltaiche (PV) sono state ottimizzate variando lo spessore dello strato assorbente dello strato p-CdSe, dello strato finestra di n-ZnSe e dello strato di rivestimento antiriflesso (ARC) di ZnO, un ossido conduttivo trasparente con maggiore intrappolamento della luce e ingegneria ad ampio gap di banda. Esiste un offset della banda di conduzione positiva (CBO) di ΔEc = 0,25 eV e un offset della banda di valenza negativa (VBO) di ΔEv = 1,2 − 2,16 = − 0,96 eV. Il CBO positivo impedisce il flusso di elettroni dal CdSe allo strato ZnSe. Inoltre, è stato analizzato l'impatto della concentrazione di drogaggio sulle prestazioni delle celle solari. I risultati della simulazione rivelano l'aumento dell'efficienza delle celle solari aggiungendo un ARC. Il rapido e netto aumento dell'efficienza con lo spessore dello strato della finestra oltre gli 80 nm è interessante, insolito e non convenzionale a causa dell'effetto combinato di morfologia ed elettronica su scala macro-micro. La cella solare a film sottile con la struttura di ZnO/ZnSe/CdSe ha mostrato un'elevata efficienza dell'11,98% con corrente di cortocircuito (Isc) = 1,72 A, tensione a circuito aperto (Voc) = 0,81 V e fattore di riempimento (FF) = 90,8% con uno spessore ottimizzato di strato assorbente da 2 μm, strato finestra da 50 nm e strato ARC da 78 nm. L'EQE delle celle solari è stato osservato a circa il 90% ad una particolare lunghezza d'onda di 470 nm (gamma della luce visibile). Circa il 12% dell’efficienza di una cella solare a strato così sottile è altamente applicabile.

Con il graduale declino delle fonti energetiche non rinnovabili come petrolio, carbone e gas naturale, l'energia pulita o rinnovabile è emersa come l'inevitabile salvatore dell'umanità1,2,3. L'energia solare è un'ottima opzione per ottenere risorse verdi e sostenibili che faciliteranno la risoluzione degli enormi problemi legati alla crisi energetica e alle preoccupazioni ambientali4. La progettazione di una cella solare viene eseguita in modo tale che vi sia un allineamento della banda ottica5 sull'eterogiunzione per l'efficienza, la stabilità e la scalabilità complessive del dispositivo. Allo stesso modo, l'ingegneria dell'interfaccia e la concentrazione del doping svolgono il loro ruolo nel migliorare il trasporto dei portatori e limitare le perdite di ricombinazione. Allo stesso modo, la qualità del materiale e delle impurità, l’assorbimento della luce e la gestione dei fotoni influiscono notevolmente sul sistema di celle solari. D’altro canto, il costo del materiale utilizzato conta molto nella produzione in scala. Pertanto, dal 19826, sono al centro dell'attenzione le conseguenti indagini sulla produzione economicamente vantaggiosa rispetto al costo e alla quantità di materiale utilizzato. La fabbricazione di celle solari con un rivestimento antiriflesso (ARC) più sottile, una finestra e uno strato assorbente è uno degli approcci che aiuta in modo significativo in questo senso.

Attualmente, i composti semiconduttori II-VI (come CdSe, ZnSe e ZnTe) con maggiore stabilità e sostenibilità sono considerati materiali promettenti con prestazioni fotovoltaiche più elevate7. Lo stesso ZnSe è un materiale molto più promettente per Window Layer8 con alta efficienza e basso costo. CdSe e ZnSe hanno entrambi una maggiore capacità di assorbimento dei fotoni nella regione visibile della lunghezza d'onda 400–750 nm9. CdSe ha caratteristiche molto simili al CdTe e CdSe ha anche un semiconduttore con bandgap diretto che ha un elevato coefficiente di assorbimento (α = 104 cm−1 a 720 nm)10. Pertanto, la cella solare CdSe necessita solo di una pellicola molto sottile (~ 2 µm) per assorbire la luce solare per una maggiore efficienza di conversione di potenza (PCE). Lo ZnSe è un materiale non tossico rispetto al CdSe e ha un bordo della banda di conduzione più elevato11. Inoltre, il materiale ZnSe è fotosensibile con un intervallo di banda diretto più ampio, appropriato per LED e laser12,13 con un intervallo di trasparenza più ampio per lo strato finestra delle celle solari14. Sebbene sia altamente efficiente per le celle solari, il cadmio è un metallo pesante tossico15 in caso di esposizione a lungo termine all'ambiente di cui è necessario evitare la contaminazione. I CdSe hanno una stabilità limitata in presenza di umidità e ossigeno la cui degradazione influisce sulle prestazioni e sulla durata delle celle solari16. Pertanto, oltre al costo e alla complessità della preparazione, è necessario anche il suo incapsulamento o rivestimento protettivo. Allo stesso modo, l'offset di banda tra ZnSe e CdSe può perdere i portatori fotogenerati mediante ricombinazione dei portatori17. La produzione su scala potrebbe essere impegnativa per la fabbricazione che richiede una tecnica di deposizione di alta qualità con un controllo preciso da strato a strato. Sono stati condotti diversi studi sulla cella solare basata sullo strato assorbente di CdSe, ad esempio i cambiamenti nella struttura del fotoanodo di TiO2 nelle celle solari sensibilizzate al CdS/CdSe sono stati studiati e inoltrati al fotoanodo a doppio strato con PCE al 4,92% con un'area fotoattiva di 0,15 cm218. KC et al. ha ottimizzato lo strato finestra ZnSe combinato con lo strato assorbente per le celle solari GaAs8. Frese et al. ha presentato una cella solare fotoelettrochimica al CdSe con un'efficienza di conversione del 12,4% nell'elettrolita alcalino K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)619. Aghmiyoni et al. hanno utilizzato PEDOT drogato con pentacene: strato PSS per l'iniezione di fori e le loro simulazioni optoelettriche sono state studiate delle prestazioni della cella solare ibrida P3HT: CdSe. Si è riscontrato che la funzione lavoro dello strato è stata ridotta da 5,1 a 4,9 eV di conseguenza l'efficienza è stata migliorata7. Dey et al. ha applicato un simulatore AMPS-1D insieme all'assorbitore CdSe e allo strato tampone ZnS di tipo n e ha analizzato lo spessore dello strato, la concentrazione del drogante e la temperatura. La struttura ITO/ZnS/CdSe con un assorbitore spesso 1,2 μm ha mostrato PCE = 17,35%, Jsc = 13,82 mA/cm2, Voc = 1,38 V e FF = 0,90820. Allo stesso modo, Monika et al. ha studiato l'efficienza delle celle solari CdS dopo sensibilizzazione e passivazione. Le eterogiunzioni di tipo II con TiO2-CdS-CdSe hanno mostrato che il trasferimento di elettroni all'anodo è raddoppiato, il che migliora il PCE21. Abdalameer et al. ha preparato le nanoparticelle ZnSe utilizzando fogli di metallo di zinco e nitrato di selenio e la sua cella centrale con il sistema a getto di plasma per lo strato finestra della cella solare e il risultante n-ZnSe/p-Si è risultato essere con un'ottimizzazione dell'efficienza da 0,89 a 2 % con il tempo poroso (5–20 min)22.