Theoretical Investigation on Improvement of CIGS-based Solar Cells

Abstract

Оскільки потреба в енергії продовжує зростати, необхідність в різних її джерелах є очевидною. Поновлювані джерела енергії забезпечують стійку та екологічно чисту енергію, яка може бути альтернативою традиційній енергії. Сонячні елементи – це поширена форма відновлюваної енергії. Для виробництва тонкоплівкових сонячних елементів було розроблено багато матеріалів. Сонячний елемент на основі Cu(In, Ga)Se2 (CIGS) вважається одним з найбільш перспективних тонкоплівкових сонячних елементів завдяки безлічі привабливих особливостей. У роботі представлено чисельне моделювання тонкоплівкових сонячних елементів CIGS за допомогою двовимірного імітаційного пристрою під назвою SilvacoAtlas. Було вивчено кілька структур сонячних елементів CIGS, використовуючи CdS як буферний шар. У роботі ми спочатку досліджуємо сонячний елемент CIGS на основі буферного шару CdS. Результати моделювання порівнюються з результатами попередніх пов'язаних експериментальних та теоретичних досліджень. Крім того, фотоелектричні параметри добре узгоджуються з експериментальними, що підтверджує нашу імітаційну модель. По-друге, ми розглядаємо сонячний елемент CIGS на основі ZnS як буферного шару з метою підвищення ефективності перетворення енергії сонячних елементів CIGS. Тому фотоелектричні параметри конструкції сонячних елементів CdS-CIGS порівнюються з параметрами конструкції сонячних елементів ZnS-CIGS, що демонструє значне підвищення ефективності при буферному шарі ZnS. Зокрема, ефективність збільшується з 22,92 % до 24,4 %. Крім того, для проектування сонячних елементів ZnS-CIGS застосовується процес оптимізації, що дає ефективність 25,1 %. Запропонована конструкція сонячних елементів CIGS може значно підвищити продуктивність сонячних елементів. Таким чином, ZnS можна розглядати як перспективний альтернативний буферний шар для підвищення ефективності тонкоплівкових сонячних елементів CIGS.

As the energy demand continues to increase, the need for various energy sources is evident. The renewable energy sources provide sustainable and environmentally friendly energy, which can be alternative to traditional energy. Solar cells are the widespread forms of renewable energy. Many materials have been developed to produce thin-film solar cells. The Cu(In, Ga)Se2 (CIGS)-based solar cell is considered as one of the most promising thin-film solar cells due to its many attractive features. In this paper, numerical simulations of thin-film CIGS solar cells using two-dimensional device simulator called Silvaco-Atlas are presented. Several studies of CIGS solar cell structures have been examined by employing CdS as a buffer layer. In this scenario, we first investigate CIGS solar cell based on CdS as a buffer layer. The simulation results are compared with those of previous related experimental and theoretical studies. In addition, the photovoltaic parameters are in good agreement with the experimental ones, which validate our simulation model. Secondly, we examine CIGS solar cell based on ZnS as a buffer layer in order to enhance the power conversion efficiency of CIGS solar cells. Therefore, the photovoltaic parameters of CdS-CIGS solar cell design are compared with those of ZnS-CIGS solar cell design showing a significant improvement of efficiency by including ZnS buffer layer. In particular, the efficiency increases from 22.92 % to 24.4 %. Moreover, an optimization process is applied to ZnS-CIGS solar cell design, which gives an efficiency of 25.1 %. The proposed CIGS solar cell design may significantly enhance the solar cell performances. Thus, ZnS can be considered as a promising alternative buffer layer for improving thin-film CIGS solar cell efficiency.