Design of Al:ZnO/p-Si Heterojunction Solar Cell Using SCAPS Simulation Program

Abstract

Тонка плівка ZnO є потенційним кандидатом для використання в якості буферного шару в силіконовій сонячній батареї. У роботі досліджено вплив концентрації Al (1, 5, 10 мас. %) на ефективність перетворення сонячних елементів з тонких плівок Al:ZnO/Si за допомогою програми для моделювання SCAPS. Було виявлено, що основні фотоелектричні параметри, такі як напруга розімкнутого ланцюга, щільність струму короткого замикання, коефіцієнт заповнення, ефективність перетворення, квантова ефективність та коефіцієнт ідеальності зростали в міру збагачення плівки Al. При 10 мас. % Al оптимальна ефективність перетворення становила приблизно 7 %, максимальне значення коефіцієнта ідеальності складало 17,51, а значення ширини смуги – 3,56 еВ. Крім того, для всіх вимірювань визначали питомий опір, концентрацію носія та рухливість. Встановлено, що зменшення коефіцієнта Холла призвело до збільшення концентрації носія із збільшенням вмісту Al, тоді як збільшення рухливості відбувалося через зменшення електричного опору. Квантова ефективність сонячного елемента, виміряна на довжині хвилі в діапазоні 400-1000 нм, знаходилася в межах 0,4-0,5.

ZnO thin film is a prominent candidate to be used as a buffer layer in silicon solar cells. In this paper, the effect of Al concentrations (1, 5, 10 wt. %) on the conversion efficiency of Al:ZnO/Si thin film solar cells has been investigated through simulation by SCAPS program. It has been found that the main photovoltaic parameters such as open-circuit voltage, short-circuit current density, fill factor, conversion efficiency, quantum efficiency and ideality factor increased as Al enrichment occurred. At 10 wt. % of Al the optimum conversion efficiency was approximately 7 %, the maximum value of the ideality factor was 17.51, and the bandgap value was 3.56 eV. Additionally, the resistivity, carrier concentration and mobility were determined for all measurements. It has been found that a decrease in the Hall coefficient led to an increase in the carrier concentration with increasing Al content, while an increase in the mobility occurred due to a decrease in the electrical resistivity. The quantum efficiency of the solar cell measured at a wavelength in the range of 400-1000 nm was between 0.4-0.5.