Исследование фотоэлектрических параметров неорганических солнечных элементов на основе Cu2O и CuO

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведено теоретическое исследование фотоэлектрических параметров неорганических солнечных элементов на основе гетеропереходов ZnO/Cu2O и ZnO/CuO для повышения эффективности преобразования энергии. Исследовано влияние толщины, концентрации носителей заряда и ширины запрещенной зоны пленок Cu2O и CuO, а также ZnO на фотоэлектрические параметры солнечных элементов. Результаты моделирования показали, что на эффективность солнечных элементов существенно влияют контактная разность потенциалов, диффузионная длина неосновных носителей заряда, величина генерируемого фототока и скорость рекомбинации. Получена максимальная эффективность солнечного элемента на основе ZnO/Cu2O, равная 10.63%, которая достигается при ширине запрещенной зоны, толщине и концентрации носителей заряда в Cu2O, равных 1.9 эВ, 5 мкм и 1015 см–3 и ширине запрещенной зоны, толщине и концентрации носителей заряда в ZnO, равных 3,4 эВ, 20 нм и 1019 см–3, а также величине смещения краев зон проводимости 0.8 эВ. Для солнечного элемента на основе ZnO/CuO получена максимальная эффективность, равная 18.27%, при ширине запрещенной зоны, толщине и концентрации носителей заряда в CuO, равных 1.4 эВ, 3 мкм и 1017 см–3, а также величине смещения краев зон проводимости 0.03 эВ. Полученные результаты моделирования солнечных элементов могут быть использованы при разработке и изготовлении недорогих и эффективных фотоэлектрических структур.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Саенко

Южный федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: avsaenko@sfedu.ru
Россия, Таганрог

Г. Е. Билык

Южный федеральный университет

Email: avsaenko@sfedu.ru
Россия, Таганрог

В. А. Смирнов

Южный федеральный университет

Email: avsaenko@sfedu.ru
Россия, Таганрог

Список литературы

  1. Lakshmanan A., Zachariah C. Alex, Meher S.R. Recent advances in cuprous oxide thin film-based photovoltaics // Materials Today Sustainability, 20, 2022. 100244.
  2. Sinuo Chen, Lichun Wang, Chunlan Zhou, Jinli Yang. A review of Cu2O solar cell // Journal of Renewable and Sustainable Energy, 15, 2023, 062701.
  3. Chander Subhash, Kant Surya Tripathi. Recent advancement in efficient metal oxidebased flexible perovskite solar cells: a short review // Materials Advances, 3, 2022, 7198–7211.
  4. Laurentiu Fara, Irinela Chilibon, Dan Craciunescu, Alexandru Diaconu, Silvian Fara. Review: Heterojunction Tandem Solar Cells on Si-Based Metal Oxides // Energies, 16, 2023, 3033.
  5. Sven Ruhle, Assaf Y. Anderson, Hannah-Noa Barad, Benjamin Kupfer, Yaniv Bouhadana, Eli Rosh-Hodesh, Arie Zaban. All-Oxide Photovoltaics // Journal of Physical Chemistry Letters, 3, 2012, 3755–3764.
  6. Amador Perez-Tomas. Functional Oxides for Photoneuromorphic Engineering: Toward a Solar Brain // Advanced Materials Interfaces, 6, 2019, 1900471.
  7. Avishek Roy, Abhijit Majumdar. Numerical Optimization of Cu2O as HTM in Lead-Free Perovskite Solar Cells: A Study to Improve Device Efficiency // Journal of Electronic Materials, 52, 2022, 2020–2033.
  8. Amador Perez-Tomas, Alba Mingorance, David Tanenbaum, Monica Lira-Cantu. Metal Oxides in Photovoltaics: All-Oxide, Ferroic, and Perovskite Solar Cells // The Future of Semiconductor Oxides in Next-Generation Solar Cells, 8, 2018, 267–356.
  9. Deli Li, Lin Song, Yonghua Chen, Wei Huang. Modeling Thin Film Solar Cells: From Organic to Perovskite // Advanced Science, 7, 2020, 1901397.
  10. A.S. Mathur, Prem Pratap Singh, Sachin Upadhyay, Neetika Yadav, K.S. Singh, Digpratap Singh, B.P. Singh. Role of absorber and buffer layer thickness on Cu2O/TiO2 heterojunction solar cells // Solar Energy, 233, 2022, 287–291.
  11. Nguyen Dinh Lam. Modelling and numerical analysis of ZnO/CuO/Cu2O heterojunction solar cell using SCAPS // Engineering Research Express, 2, 2020, 025033.
  12. M.M. Ivashchenko, O.V. Diachenko, A.S. Opanasyuk, I.P. Buryk, D.V. Kuzmin, A. Cerskus, O. Shapovalov, S.V. Plotnikov, I.A. Gryshko. A numerical simulation of solar cells based on the CuO and Cu2O absorber layers with ZnMgO window layer // Materials Science and Engineering B, 300, 2024, 117133.
  13. Shamim Ahmmed, Asma Aktar, Samia Tabassum, Md. Hafijur Rahman, Md. Ferdous Rahman, Abu Bakar Md. Ismail. CuO based solar cell with V2O5 BSF layer: Theoretical validation of experimental data // Superlattices and Microstructures, 151, 2021, 106830.
  14. Mahmoud Abdelfatah, Adel M. El Sayed, Walid Ismail, Stephan Ulrich, Volker Sittinger, Abdelhamid El-Shaer. SCAPS simulation of novel inorganic ZrS2/CuO heterojunction solar cells // Scientifc Reports, 13, 2023, 4553.
  15. A.V. Saenko, V.S. Klimin, A.A. Rozhko, S.P. Malyukov. Modeling the Structure of an Oxide Solar Cell // Journal of Communications Technology and Electronics, 67, 2022, S108-S114.
  16. Youssef Ait-Wahmane, Haytam Mouhib, Brahim Ydir, Abderrahim Ait Hssi, Lahoucine Atourki, Ahmed Ihlal, Khalid Bouabid. Comparison study between ZnO and TiO2 in CuO based solar cell using SCAPS-1D // Materials Today: Proceedings, 52, 2022, 166–171.
  17. Naama Sliti, Saâd Touihri, Ngoc Duy Nguyen. Numerical modeling and analysis of AZO/Cu2O transparent solar cell with a TiO2 buffer layer // Engineering Research Express, 5, 2023, 025013.
  18. P. Sawicka-Chudy, Z. Starowicz, G. Wisz, R. Yavorskyi, Z. Zapukhlyak, M. Bester, L. Glowa, M. Sibinski, M. Cholewa. Simulation of TiO2/CuO solar cells with SCAPS-1D software // Materials Research Express, 6, 2019, 085918.
  19. Bin Sun, Hao Chen, Kang Yan, Xiao-Dong Feng. Numerical investigation of the Cu2O solar cell with double electron transport layers and a hole transport layer // Optical Materials, 131, 2022, 112642.
  20. A.V. Saenko, G.E. Bilyk, S.P. Malyukov. Modeling of an oxide solar cell based on a ZnO/Cu2O heterojunction // Applied Physics, 4, 2023, 66–77.
  21. G.B. Stefanovich, A.L. Pergament, P.P. Boriskov, V.A. Kuroptev, T.G. Stefanovich. Charge transfer in rectifying oxide heterostructures and oxide access elements in ReRAM // Semiconductors, 50, 2016, 650–656.
  22. [22. G.C. Enebe, V.T. Lukong, R.T. Mouchou, K.O Ukoba, Jen T-C. Optimizing nanostructured TiO2/Cu2O pn heterojunction solar cells using SCAPS for fourth industrial revolution // Materials Today: Proceedings, 62, 2022, S145-S150.
  23. Man Hieu Tran, Jae Yu Cho, Soumyadeep Sinha, Myeng Gil Gang, Jaeyeong Heo. Cu2O/ZnO heterojunction thin-film solar cells: the effect of electrodeposition condition and thickness of Cu2O // Thin Solid Films, 661, 2018, 132–136.
  24. Sung Hun Wee, Po-Shun Huang, Jung-Kun Lee, Amit Goyal. Heteroepitaxial Cu2O thin film solar cell on metallic substrates // Scientific RepoRts, 5, 2015, 16272.
  25. Yun Seog Lee, Jaeyeong Heo, Sin Cheng Siah, Jonathan P. Mailoa, Riley E. Brandt, Sang Bok Kim, Roy G. Gordonb, Tonio Buonassisi. Ultrathin amorphous zinc-tin-oxide buffer layer for enhancing heterojunction interface quality in metal-oxide solar cells // Energy and Environmental Science, 6, 2013, 2112–2118.
  26. Victor Malgras, Andrew Nattestad, Jung Ho Kim, Shi Xue Dou, Yusuke Yamauchi. Understanding chemically processed solar cells based on quantum dots // Science and Technology of Advanced Materials, 18, 2017, 334–350.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематичное изображение структуры (а) и зонная энергетическая диаграмма (б) неорганического солнечного элемента на основе оксидов меди

Скачать (354KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость плотности тока короткого замыкания (а), напряжения холостого хода (б) и эффективности (в) солнечного элемента от толщины и концентрации носителей заряда в Cu2O

Скачать (920KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость плотности тока короткого замыкания (а), напряжения холостого хода (б) и эффективности (в) солнечного элемента от толщины и концентрации носителей заряда в ZnO

Скачать (812KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость эффективности солнечного элемента от ширины запрещенной зоны Cu2O (а) и ZnO (б)

Скачать (352KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость эффективности солнечного элемента от смещения краев зон проводимости Cu2O и ZnO

Скачать (192KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость плотности тока короткого замыкания (а), напряжения холостого хода (б) и эффективности (в) солнечного элемента от толщины и концентрации носителей заряда в CuO

Скачать (963KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость эффективности солнечного элемента от ширины запрещенной зоны пленки CuO (а) и от смещения краев зон проводимости CuO и ZnO (б)

Скачать (348KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024