На даний час аналізувати експериментальні вимірювання без побудови точної моделі практично неможливо, тому чисельне моделювання має ряд переваг та велике значення для розуміння фізичних властивостей та конструкції сонячних елементів на основі кристалічних, полікристалічних та аморфних матеріалів.
Чисельне моделювання необхідне для інтерпретації розширених вимірювань на складних структурах, проте не всі програми мають повноцінний математичний апарат для аналізу комірки від етапу її створення до розрахунку кінцевих параметрів, зокрема фактору заповнення (FF) та ефективності (η).
SCAPS (Solar Cell Capacitance Simulator) – це одновимірна програма моделювання тонкоплівкових сонячних елементів, розроблена на кафедрі електроніки та інформаційних систем (ELIS) університету в Генті (Бельгія).
Спочатку програма була розроблена для структур CuInSe2 та сімейства CdTe. Останні розробки дають можливість застосовувати програму також для кристалічних (сімейство Si та GaAs) та аморфних (a-Si та мікроморфний Si) сонячних елементів. SCAPS видає результати комп’ютерного моделювання на панелі результатів у вигляді характеристик: J(V), C(V), C(f), зонних діаграм, густини розподілу носіїв чи струмів часткової рекомбінації для кожного проміжного значення напруги зсуву або довжини хвилі
У даній роботі виконано комплексне моделювання фотоелектричних властивостей комірки на основі гетероструктури ZnO/CdS/CdTe. Автори дослідили як введення кожного нового шару та його товщина впливають на ефективність кінцевої комірки. При цьому, додаючи кожен наступний шар, щоразу переглядалися властивості нової гетеросистеми.
Структура пристрою сонячного елемента, яка використовувалась в кінцевому моделюванні, зображена на рис. 1.
Результати моделювання для гетероструктури ZnO/CdS/CdTe (dCdTe=3 мкм, dCdS=50 нм), товщина шару ZnO варіювалась в діапазоні 10-300 нм, наведено на рис. 2. Визначено найкращі значення ефективності такої системи: 15,15% та 18,68% (з та без дефектів, відповідно). Сформульовано висновок, що ефективність кінцевої структури ZnO/CdS/CdTe більшою мірою залежить від добре підібраних між собою товщин шарів CdS та CdTe.
Встановлено, що матеріал заднього контактного шару також впливає на ефективність кінцевої комірки. Перспективним матеріалом, що використовується як шар заднього контакту в сонячних елементах CdTe, є CuO [3].
Він характеризується як нетоксичний, легкодоступний та недорогий матеріал, що має високий коефіцієнт поглинання у видимому діапазоні [4]. Товщина шару варіювалась в межах 1-10 мкм з кроком 1 мкм. Найвище значення ефективності при введені шару CuO становило ~ 20,94% (dCuO=5 мкм).
Дослідження виконується в рамках проєкту молодих вчених МОН України «Технологія та комп'ютерна симуляція оптимізованих фотоелектричних систем II покоління на основі сполук II-VI» номер державної реєстрації 0121U108153.
[1] A. Morales-Acevedo, N. Hernández-Como, G. Casados-Cruz, Modeling solar cells: a method for improving their efficiency, Mater. Sci. Eng. B 177(16), 1430–1435 (2012) (https://doi.org/10.1016/j.mseb.2012.01.010).
[2] M. Burgelman, J. Verschraegen, S. Degrave, P. Nollet, Modeling thin‐film PV devices, Prog. Photovoltaics Res. Appl. 12(2‐3), 143–153, (2004) (https://doi.org/10.1002/pip.524).
[3] G. Wisz, P. Sawicka-Chudy, P. Potera, M. Sibiński, R. Yavorskyi, Ł. Głowa, B. Cieniek, M. Cholewa, Morphology, composition, structure and optical properties of thermal annealed Cu2O thin films prepared by reactive DC sputtering method, Molecular Crystals and Liquid Crystals 672(1), 81-91 (2018) (https://doi.org/10.1080/15421406.2018.1542110).
[4] P. Sawicka-Chudy, M. Sibiński, E. Rybak-Wilusz, M. Cholewa, G. Wisz, R. Yavorskyi, Review of the development of copper oxides with titanium dioxide thin-film solar cells, AIP Advances 10(1), 010701 – 010701-15 (2020) (https://doi.org/10.1063/1.5125433).
