Simulation Study of CZTS/CZTSe Tandem Solar Cell by Using SCAPS-1D Software

Abstract

Сонячний спектр може бути розділений тандемними сонячними елементами на кілька субелементів, які мають різні ширини забороненої зони і ефективніше перетворюють світло в електрику, ніж окремі елементи. У роботі моделювання фотоелектричних (PV) характеристик тандемного сонячного елементу CZTS/CZTSe на основі структур сульфіду міді-цинку-олова (CZTS) як верхнього елементу та селеніду міді-цинку-олова (CZTSe) як нижнього елементу було виконано за допомогою симулятора SCAPS-1D при освітленні AM1.5. Спочатку було виконано моделювання окремих сонячних елементів CZTS і CZTSe і отримано ефективність відповідно 14,37 % і 17,87 %, що добре узгоджується з наявними результатами. До подачі відфільтрованого спектру змодельовані PV параметри тандемного сонячного елементу CZTS/CZTSe мають ефективність перетворення (ƞ) 20,68 % і густину струму короткого замикання (Jsc) 20,205 мА/см2 для верхнього та нижнього елементів з довільною нормальною товщиною. Крім того, щоб досягти узгодження струму, як верхній, так і нижній елементи були досліджені при різній товщині тандемної конфігурації, коли товщини верхнього та нижнього елементів були відповідно в діапазонах 0,05-0,5 мкм і 0,1-1 мкм. Продуктивність тандемного сонячного елементу визначалася після подачі відфільтрованого спектру та узгодження струму. Значення Jsc тандемного сонячного елементу CZTS/CZTSe становить 20,33 мА/см2 для товщини 0,255 мкм верхнього, CZTS, елементу та товщини 0,8 мкм нижнього, CZTSe, елементу. Максимальний ƞ, рівний 22,98 %, досягається для конструкції тандемної структури з підвищенням напруги холостого ходу (Voc) на 1,48 В.

The solar spectrum can be divided by tandem solar cells into several subcells that have different bandgaps which convert, more effectively, the light into electricity than the single cells. In this study, the simulation of the photovoltaic (PV) characteristics of a CZTS/CZTSe tandem solar cell, based on structures of copper zinc tin sulfide (CZTS) as a top cell and copper zinc tin selenide (CZTSe) as a bottom cell, was accomplished by using SCAPS-1D simulator under AM1.5 illumination. Initially, the simulation of single CZTS and CZTSe solar cells was performed to give efficiency of 14.37 % and 17.87 %, respectively, which are in good agreement with the literature results. Before feeding with filtered spectrum, the simulated PV parameters of the CZTS/CZTSe tandem solar cell are the conversion efficiency (ƞ) of 20.68 % and the shortcircuit current density (Jsc) of 20.205 mA/cm2 of the top and bottom cells with arbitrary normal thicknesses. Furthermore, and in order to reach the matching current, both top and bottom cells have been investigated at different thicknesses for tandem configuration after validation, where the performance of the top and bottom cells is at thicknesses ranged from 0.05-0.5 µm and 0.1-1 µm, respectively. The performance of the tandem solar cell is determined after filtered spectrum feeding and current matching. The Jsc of CZTS/CZTSe tandem solar cell is 20.33 mA/cm2 for 0.255 µm thick of the top, CZTS, cell and 0.8 µm of the bottom, CZTSe, cell. The maximum ƞ of 22.98 % is reached for tandem structure design with open circuit voltage (Voc) enhancing of 1.48 V.