Numerical Simulation and Performance Enhancement of CZTS Thin Film Solar Cells

Abstract

Розробка тонкоплівкових сонячних елементів дозволяє дослідникам оцінювати різні матеріали з метою підвищення ефективності перетворення елементів. Це особливо актуально для третього покоління сонячних фотоелектричних елементів, які включають шарові матеріали в нано- та мікрометровому масштабі, уникаючи нетоксичних і поширених у землі матеріалів із зниженими витратами на виробництво. В останні роки вчені зосередили свої дослідження на найдешевших і найстабільніших матеріалах, таких як кестерит, на основі таких елементів: мідь, цинк, олово і сірка (CZTS). Це один із найефективніших шарів поглинаючого матеріалу в тонкоплівкових сонячних елементах із прямою забороненою зоною (1,38-2,0 еВ) і високим коефіцієнтом поглинання (~ 104 см – 1). CZTS має величезний потенціал завдяки великій кількості землі, нетоксичності та низькій вартості виробництва порівняно з іншими тонкоплівковими матеріалами. Проте все ще існує кілька проблем щодо контролю вторинних фаз, композиційної однорідності, електронних дефектів і проблем нестабільності під час виготовлення, які обмежують ефективність сонячних елементів на основі CZTS і які ще потрібно подолати. У цій статті ми реалізуємо математичну модель гетеропереходу CdS-CZTS тонкоплівкового сонячного елемента. Отже, продуктивність сонячних елементів можна оцінити, змінюючи матеріал, параметри, співвідношення розмірів та інші змінні в елементах. По суті, ефективність перетворення наведена на рівні ƞ = 12,79 % результатів моделювання з використанням програмного забезпечення Matlab Simulink. Покращена ефективність перетворення, отримана завдяки нашому дослідженню моделювання, входить у діапазон експериментальних значень, досягнутих для цього типу дизайну тонкоплівкових сонячних елементів, як продемонстровано рекордно виміряною лабораторією ефективністю приблизно 12,6 % для подібної гетероперехідної клітини на основі звіту CZTS за редакцією Wei Wang та ін., тоді як теоретична максимальна ефективність перетворення для ідеальної сонячної батареї на основі CZTS оцінюється в 32,4 % відповідно до обмеження Шоклі Квейссера. Оскільки наше змодельоване значення ефективності наближається до виміряних експериментальних значень, але все ще значно нижче теоретичної межі, це свідчить про те, що подальше підвищення ефективності все ще може бути досягнуте шляхом оптимізації властивостей матеріалу та конструкції комірки.

The development of thin-film solar cells allows researchers to evaluate different materials in order to improve the efficiency of cell conversion. This is particularly relevant for the third generation of solar photovoltaic cells, which incorporate layer materials at the nano- and micrometre-scale, avoiding non-toxic and earth-abundant materials with reduced manufacturing costs. In recent years, scientists have focused their studies on the lowest-cost and most stable materials, such as kesterite, based on the following elements: copper, zinc, tin, and sulfur (CZTS). It's one of the most efficient absorbing material layers in thin-film solar cells, with a direct bandgap (1.38-2.0 eV) and a high absorption coefficient (~ 104 cm – 1). CZTS has tremendous potential due to its earth abundance, non-toxicity, and low production costs compared to other thin film materials. However, several challenges still exist regarding the control of secondary phases, compositional homogeneity, electronic defects, and instability issues during fabrication that limit the efficiency of CZTSbased solar cells and have yet to be overcome. In this paper, we implement a mathematical model of a heterojunction CdS-CZTS thin film solar cell. Hence, the output performance of solar cells can be evaluated by varying the material, parameters, dimensional ratios, and other variables in the cells; essentially,the conversion efficiency is given at a value of ƞ = 12.79 % results of simulations using Matlab Simulink software. The improved conversion efficiency obtained through our simulation study falls within the range of experimental values achieved for this type of thin film solar cell design, as demonstrated by the laboratory's record measured efficiency of around 12.6 % for a similar heterojunction cell based on CZTS reported by Wei Wang et al., while the theoretical maximum conversion efficiency for an ideal CZTS-based solar cell is estimated at 32.4 % according to the Shockley Queisser limit. As our simulated efficiency value is close to measured experimental values while still significantly below the theoretical limit, this suggests that further efficiency improvements may still be achievable through material property and cell design optimizations.