数字建模以提高实验制造的Sb₂Se₃基于太阳能电池的效率

科学领域:

• 材料科学:开发新的薄膜太阳能电池材料.
• 可再生能源:促进光伏技术的发展,以实现可持续能源.
• 半导体物理:研究异质连接,以提高太阳能电池的性能.

背景情况:

• 化 (Sb2Se3) 对太阳能电池应用具有有前途的光学和电气性能.
• 传统的硫化 (CdS) 缓冲层带来了环境和毒性问题.
• 在薄膜太阳能电池制造中需要使用无毒,高效的替代材料.

研究的目的:

• 设计和模拟一种新的基于Sb₂Se₃的薄膜太阳能电池,使用无毒的SnS₂作为缓冲层.
• 优化设备参数以提高功率转换效率.
• 调查锡单硫化物 (SnS) 后面表面场 (BSF) 层在提高细胞性能方面的作用.

主要方法:

• 使用单维太阳能电池容量模拟器 (SCAPS-1D) 进行设备模拟.
• 对模拟模型与CdS/Sb₂Se₃太阳能电池的实验数据进行验证.
• 系统优化层厚度,兴奋剂度,带隙和缺陷密度的系统优化.

主要成果:

• 模拟模型准确地复制了实验结果,验证了SCAPS-1D方法.
• 将CdS替换为SnS₂提高了带对齐和设备效率,FTO/SnS₂/Sb₂Se₃/Au的效率达到12.31%.
• 加入一个SnS BSF层进一步提高了效率,达到24.86% (V_OC = 0.94 V,J_SC = 31.98 mA cm^-2,FF = 83.09%) 由于减少了载体重组.

结论:

• 非有毒的SnS₂和SnS分别是Sb₂Se₃薄膜太阳能电池的有效缓冲和BSF材料.
• 拟议的FTO/SnS₂/Sb₂Se₃/SnS/Au结构为具有成本效益,环保和高效的光伏设备提供了一条途径.
• 进一步的分析证实了优化参数的积极影响和操作条件对设备性能的影响.