Numerical Study of the Temperature Dependence of CZTS-Based Thin Film Solar Cell

Abstract

У статті чисельно досліджений вплив температури на продуктивність тонкоплівкового сонячного елемента CZTS (Cu2ZnSnS4) за допомогою симулятора ємності сонячних елементів (SCAPS-1D). Ми оцінили температурну залежність енергетичної ширини забороненої зони (Eg) шарів сонячного елемента CZTS (ZnO, CdS та CZTS) між 300 і 350 К за формулою Варшні. Помічено тенденцію до зниження Eg із середніми коефіцієнтами звуження ширини забороненої зони близько 1,48x10 – 4, 3,61x10 – 4 та 7,37x10 – 4 еВ/К для ZnO, CdS та CZTS відповідно. Отримані результати показують, що Jsc збільшується, але Voc та FF зменшуються залежно від температури. В результаті ККД падає з 12,08 % при 300 К до 11,87 % при 350 К із зміною коефіцієнта – 0,036 %/К. Робоча температура 300 К вважається більш прийнятною для досягнення високої продуктивності та максимальної ефективності в сонячному спектрі AM 1,5 G (1000 Вт/м2).

In this paper, the effect of temperature on CZTS (Cu2ZnSnS4) thin film solar cell performance has been numerically investigated using Solar Cell Capacitance Simulator (SCAPS-1D). We have evaluated the temperature dependence of the energy band gap (Eg) of CZTS solar cell layers (ZnO, CdS and CZTS) between 300 and 350 K by Varshni formula. A decreased trend of Eg has been noticed with an average band gap narrowing coefficients around 1.48 x 10 – 4, 3.61 x 10 – 4 and 7.37 x 10 – 4 eV/K for ZnO, CdS and CZTS, respectively. The obtained results reveal that Jsc increases, but Voc and FF decrease with respect to temperature. As a result, the efficiency falls from 12.08 % at 300 K to 11.87 % at 350 K with a coefficient variation of – 0.036 %/K. 300 K operating temperature is considered more appropriate to achieve high performances and get maximum efficiency under AM 1.5 G (1000 W/m2) solar spectrum.