Simulation of CZTS thin film solar cell with ZnO, ZnS and conventional CdS buffer layer

(1)

1

هدیکچ

نایرج تاصخشم و یجراخ یموتناوک هدزاب ی هبساحم یارب یلیلحت لدم کی هلاقم نیا رد : -

کزان هیلا یدیشروخ لولس ژاتلو .تسا هدش هئاراCZTS

یدیشروخ لولس یارب فلتخم رفاب یاه هیلا دننامهCZTS

وZnO و ZnS هیلا CdS ی هدش زیلانآ یم جیاتن کمک هب .دنا اه راتخاس نیا نیب ام دومن هدهاشم ناوت

ZnS/CZTS

لااب یهدزاب اب یرت VOC=0/57v JSC=30 و

یدیشروخ لولس یجراخ یموتناوک هدزاب هک دش هداد ناشن نینچمه .دهدیم ناشن اب هنوگچCZTS

.درک دهاوخ رییغت جوم لوط

هژاو دیلک

لاکیرمول ،کزان هیلا یدیشروخ لولس ،نامز هدودحم لضافت شور ،یجراخ یموتناوک هدزاب: .2018

Simulation of CZTS thin film solar cell with ZnO, ZnS and conventional CdS buffer layer

Mina mirzaee 1, Javad Hassanzadeh1, Ali Abdolahzadeh Ziabari²

1Department of Physics, Takestan Branch, Islamic Azad University, Takestan, Iran, [email protected]

2Department of Physics, Lahijan Branch, Islamic Azad University, Lahijan, Iran, Postcode:1616, [email protected] Abstract– This paper presents an analytical model for calculating external quantum efficiency and current density-voltage characteristics of the CZTS solar cell. Different buffer layers like ZnO, ZnS and CdS buffer layers are analyzed for the CZTS cell. Among these structures, ZnS/CZTS structure showed an optimum efficiency with Voc = 0.724 V and Jsc = 53.312 mA/cm2.Variation of IPCE Versus wavelength spectrum has been studied.

Keywords: external quantum effeiciency, Finite difference time domain, thin film solar cell, Lumerical 2018

(2)

2

(3)

3

(CZTS) ی

ک ن ی هم اتراهه یانااسر یی

عون لک هک هدوبp ی

ه ،هوهع هب .دنتاسه نازرا و ناوارف نآ رد دوجوم راصانع ی دCZTS

یارا یراون فاگ

Vدودح م1.5 ی دش اب ا یرادقم هک ی

هد دبت یارب لآ ی

ل ط یژرنا رثکادح ی

ف ش روخ ی د رتکلا هب ی س ی هت م ی دش اب نچمه . ی ن رض ی ب بذج ا ی ن کرت ی ب

ااسب ی را دودح رد و لااب

1

cm-

هدودحم104 ئرم ی ی ط زا ی ف طانغمورتکلا ی

ااس ی م ی دااشاب دب ی ن نعم ی لا هک ی ه مامااض اب اهنت یا م دنه ت

ی نورک

زا رقت ،CZTS ی

ًاب م ی دناوت ب یژرنا اب یاهنوتوف مامت ی

رتش هلصاف زا راون یژرنا دنک بذج ار شا 3,4[

].

کینکت یارب یددعتم ییایمیش و یکیزیف فلتمم یاه لولس نیا نتخاس

رب ینتبم کزان هیلا یدیشروخ یاه هدش هتفرگ راک هبCZTS

زا .دنا

یم هلمج نیا لس شور ،رزیل سلاپ بوسر ،هیلوا گنیرتاپسا ، یترارح ریمبت هب ناوت

- درکلمع هلاقم نیا رد .دومن هراشا ...و دورتکلا بوسر و ،لژ

لولاس کزان هیلا یدیاشروخ یاه لاکیرمول زااس هیباش زا هدافتاسا اب ارCZTS

هداد رارق یبایزرا دروم2018 یگتاسباو یور رب ،نینپمه .میا

رتماراپ هعومجم یور رب درکلمع هیلا نوچمه یاااسدنه و یکیزیف یاه

هیلا عون ،رفاب هیلا تماماااض ،هدننک بذج ی ماجنا هعلاطم ... و رفاب ی

هداد ااشت لوژام راهه زا رازفا مرن نیا .میا هیبااش تمااسق رد .تااسا هدااش لیک

نامز هزوح رد دودحم لااضافت یددع لح شور زا یکیتپا یزاااس

FDTD1

لوژام زا و Device

یکیرتکلا جیاتن ندروآ تسد هب یارب یجراخ یموتناوک هدزاب دننامه

)2

IPCE .تسا هدش هدافتسا(

- 2 نامز هزوح رد دودحم لضافت یددع لح شور FDTD (

)

هلداعم یاه لوسکام هب ناونع نیرتگرزب درواتسد

یملع نرق مهدزون هب رامش یم .دیآ رد ادتبا هب لیلد مدع دوجو احم تاناکما یتابس

یوق دننام

یاهرتویپماک

،یزورما رتشیب شهت اه رد لح

،تلاداعم فرص لح مرف کت ای یسناکرف کینومراه

ینامز اهنآ یم ات .دش هکنیا رد س 1966لا

، یی

] 5 همسن[ هداس یا اب یاهیگژیو بلاج رایسب یددع

هجوت یلو اب راب یتابساحم

،دایز یارب لح تلاداعم لوسکام رد هزوح نامز ا هئار .داد شور نیا

هنیمز زا یرایسب رد هتسناوت هک یروطب هتفای یرایسب هعسوت نونک ات لونکت و مولع یاه

.دوش دراو یژو

یسیطانغم و یکیرتکلا یگدنناسر هک ضرف نیا اب ار لوسکام لرک تلاداعم و σ

σ٭

ین یسیطانغم تیصاخ طیحم و دنرادن روضح درادن ز

ینعی µ(r)=µ0

یم ریز لکش هب میسیون

1( )

0

1 t t



   



  



H E

D H

شور رد رگا ( لکش دننام یلولس تاصتمم هب ,FDTD

سیدنا )1 ( , , )i j k یاه

بقع و نییاپ په تمس سار تاصتمم میهد صاصتخا ار

یم لولس : دوش

2( )

(i x j y k z ,  ,  )

1 Finite difference time domain

2Incidetnt photon to current conversion efficiency

(4)

4

( لکش یتابساحم لولس )1 راهه طسوت نادیم هفلوم ره .Yee

یم هطاحا هفلوم .دوش

قبط یراذگتمهع

،یی زا شیامن ریز یارب نایب هفلوم یاه نادیم هتسسگ هدش هدافتسا یم دوش

3( ) ( , , )i j k  (i x j y k z,  ,  )

نیاربانب ره عبات هتسباو هب ناکم و نامز هب لکش ریز رد یم دیآ

4( )

( , , ) ( , , , )

Fn i j k F i x j y k z n t   

لااب فیراعت و یزکرم یهانتم لضافت لامعا اب

، ( لوسکام تلاداعم هتسسگ لکش دوب دهاوخ ریز تروص هب )1

5( )

1 2

0

1 1

, ,

2 2

1 1

, ,

2 2

1 1

, , 1 , ,

2 2

1 1

, 1, , ,

2 2

n x

n n

y y

n n

z z

H i j k

E i j k E i j k

t

z

E i j k E i j k

y







   

 

 

 

    

       

     



 



      

    

    



 



6( )

1 1

2, ,

1, , 2

1 1 1 1

, , , ,

2 2 2 2

1 1 1 1

, , , ,

2 2 2 2

n x

n n

y y

n n

z z

D i j k

H i j k H i j k

t z

H i j k H i j k

y

  

 

 

   

 

        

    

 

 



       

    

    



 



هفلوم ریاس یارب هباشم طباور زین نادیم یاه

هک میراد یا

z y x

      یاتسار هس رد لولس هزادنا بیترت هب

,x وy نینچمه .تساz

t .تسا تابساحم ینامز هلپ

(5)

5

( لکش لولس راتخاس :)2 CZTS

- 4 و یجراخ یموتناوک هدزاب رادومن

نایرج یلاگچ یاه

یجراخ یموتناوک هدزاب (IPCE)

یم تسد هب یدورف نوتوف هب هدش دیلوت نورتکلا تبسن تروص هب یجراخ یموتناوک هدزاب هبساحم یارب .دیآ

( ی هطبار زا .میا هدرک هدافتسا )7

IPCE%

=

^𝐼_𝑃(𝑊)^{𝑠𝑐(𝐴)} × ¹²⁴⁰

𝜆(𝑛𝑚) × 100 (7)

د هطبار نیا ر Isc

یم هاتوک لاصتا نایرج .دشاب

هیبش یامد رد یزاس

OC زین یدورف رون ناوت و تسا هتفرگ ماجنا25

𝑊 𝑚²

.تسا هدش ضرف1000

هیبش نیا رد هدش هدافتسا یاهرتماراپ ( لودج رد یزاس

هیلا تمامض تارییغت .تسا هدش کرد )1 رارق ریثات تحت ار یموتناوک یهدزاب رفاب ی

یم نوتوف رتیوق بذج بجوم هک اره .دهد لااب یهدزاب ندروآ تسد هب یارب ور نیا زا .دهد یم شهاک ار یموتناوک یهدزاب و هدش اه

یرورض رایسب

هیلا هک تسا ( لکش .دوش کزان رفاب ی

هیلا هس یارب یموتناوک هدزاب ینحنم )3 .دهد یم ناشن ار فلتمم لاعف ی

(لودج هیبش رد هدش هدافتسا یاهرتماراپ :)1 یزاس

Parameters CZTS CdS ZNo ZnS

Thickness , W(nm)

2500 100 80 8

Relative permittivity,

ε/εo

9 10 10 11

Electron mobility,

2/Vs) (cm µn

100 100 100 100

(6)

6 Hole

mobility,

2/Vs) (cm µp

25 25 25 25

Effective mass electron

0.7 1.2 0.5 1.4

Effective mass

hole

0.2 0.25 0.25 0.2

Band gap, Eg

(eV)

1.4 2.4 3.1 3.3

Electron affinity ,

χ(eV)

5 5.1 4.5 4.5

3(لکش یموتناوک هدزاب هبساحم جیاتن :)

ی هصمشم V

- یدیشروخ لولسJ هیلا ابCZTS

( لکش رد فلتمم رفاب یاه یدیشروخ لولس یهدزاب .تسا هدش هداد شیامن )4

PCE3

زا

هطبار 8( ی یم هبساحم ) .دوش

PCE = FF ×^J^sc^V^OC

Psolar 8(

)

هطبار نیا رد

oc4 V و زاب رادم ژاتلو FF5

یم یگدشرپ بیرض .دشاب

3 power conversion efficiency

4Open circuit voltage

5Fill Factor

(7)

7 4(لکش

یلاگه ینحنم :) -

نایرج

هدما تسد هب جیاتن لودج رد لولس هس یارب یهدزاب ی

هیلا اب یدیشروخ لولس ،دهد یم ناشن لکش هک روطنامه .تسا هدش کرد(2) رفاب ی

.تسا زاب رادم ژاتلو نیرتشیب یارادZnS VOC

(mA/Cm2) JSC

PCE solarcell

0.56 27

10.32 CZTS/CdS

0.57 30

12.1 CZTS/ZnS

0.47 26

8.12 CZTS/ZnO

2لودج فلتخم یاه لولس یهدزاب ریداقم :

- 5 جیاتن

هیبش کمک هب کزان هیلا یدیشروخ لولس یهدزاب ناوت یم ،یزاس

هیلا تمامض شهاک اب ارCZTS هنیهب و رفاب ی

هیلا تیفیک یزاس بذاج ی

هیبش یهدزاب نیرتهب ندروآ تسد هب یارب .دیشمب اقتراCZTS هیلا اب یزاس

هیلا اب یدیشروخ لولس .دش ماجنا رفاب فلتمم یاه ZnS ی

یم ناشن ار یهدزاب نیرتشیب شهوژپ یارب .دهد

هیلا زا هدافتسا یدعب یاه باتزاب ی

یم داهنشیپ نوتوف رتشیب بذج یارب .ددرگ

عجارم

[1] K. Ramasamy, M. A. Malik, and P. O'Brien, "Routes to copper zinc tin sulfide Cu2ZnSnS4 a potential material for solar cells", Chemical Communications, vol. 48, pp.

5703-5714, 2012.

[2] G. N. Tiwari, R. K. Mishra, and S. C. Solanki, "Photovoltaic modules and their applications: A review on thermal modelling", Applied Energy, vol. 88, pp. 2287-2304, 2011.

[3] D. B. Mitzi, O. Gunawan, T. K. Todorov, K. Wang, and S. Guha, "The path towards a high-performance solution- processed kesterite solar cell", Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 95, pp. 1421-1436, 2011.

[4] H. Katagiri, K. Jimbo, W. S. Maw, K. Oishi, M. Yamazaki, H. Araki, A. Takeuchi,

"Development of CZTS-based thin film solar cells", Thin Solid Films, vol. 517, pp. 2455- 2460, 2009.

[5] Kane S. Yee, Numerical Solution of Initial Boundary Value Problems Involving Maxwell’s Equations in Isotropic Media, IEEE Trans. Anttenas Propagate, Ap-14, 8, 1966.