Évaluation numérique des propriétés optoélectriques du ZnSe

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12193 (2023) Citer cet article

Dans ce travail, une évaluation numérique des propriétés optoélectriques de l'hétérojonction ZnO – ZnSe – CdSe pour une cellule solaire mince et rentable a été réalisée à l'aide du logiciel de simulation PC1D. Les propriétés photovoltaïques (PV) ont été optimisées en faisant varier les épaisseurs de la couche absorbante de la couche de p-CdSe, de la couche fenêtre de n-ZnSe et de la couche de revêtement antireflet (ARC) de ZnO, un oxyde conducteur transparent avec un piégeage amélioré de la lumière. et l'ingénierie à large bande interdite. Il existe un décalage de bande de conduction positif (CBO) de ΔEc = 0,25 eV et un décalage de bande de valence négatif (VBO) de ΔEv = 1,2 − 2,16 = − 0,96 eV. Le CBO positif empêche le flux d'électrons du CdSe vers la couche de ZnSe. En outre, l'impact de la concentration de dopage sur les performances des cellules solaires a été analysé. Les résultats de la simulation révèlent l'augmentation de l'efficacité des cellules solaires grâce à l'ajout d'un ARC. L’augmentation rapide et forte de l’efficacité avec l’épaisseur de la couche fenêtre au-delà de 80 nm est intéressante, inhabituelle et non conventionnelle en raison de l’effet combiné de la morphologie et de l’électronique à l’échelle macro-micro. La cellule solaire à couche mince avec la structure ZnO/ZnSe/CdSe a présenté un rendement élevé de 11,98 % avec un courant de court-circuit (Isc) = 1,72 A, une tension en circuit ouvert (Voc) = 0,81 V et un facteur de remplissage (FF). = 90,8 % avec une épaisseur optimisée de couche absorbante de 2 µm, de couche fenêtre de 50 nm et de couche ARC de 78 nm. L'EQE des cellules solaires a été observé à environ 90 % à une longueur d'onde particulière de 470 nm (plage de la lumière visible). Environ 12 % de l’efficacité d’une cellule solaire à couche aussi mince est hautement applicable.

Avec le déclin progressif des sources d'énergie non renouvelables telles que le pétrole, le charbon et le gaz naturel, les énergies propres ou renouvelables sont devenues le sauveur inévitable de l'humanité1,2,3. L'énergie solaire est une excellente option pour des ressources vertes et durables qui faciliteront la résolution des énormes problèmes de la crise énergétique et des préoccupations environnementales4. La conception d'une cellule solaire est réalisée de telle manière qu'il y ait un alignement de bande optique5 au niveau de l'hétérojonction pour l'efficacité, la stabilité et l'évolutivité globales du dispositif. De même, l’ingénierie des interfaces et la concentration du dopage jouent leur rôle pour améliorer le transport des porteurs et limiter les pertes par recombinaison. De même, la qualité du matériau et des impuretés, l’absorption de la lumière et la gestion des photons affectent grandement le système de cellules solaires. En revanche, le coût du matériau utilisé compte beaucoup dans la production à grande échelle. Ainsi, les recherches ultérieures sur la production rentable en ce qui concerne le coût et la quantité de matériaux utilisés, discutées depuis 19826, sont au centre de l'attention. La fabrication de cellules solaires avec un revêtement antireflet (ARC), une fenêtre et une couche absorbante plus minces est l'une des approches qui aident considérablement à cet égard.

Actuellement, les composés semi-conducteurs II à VI (tels que CdSe, ZnSe et ZnTe) présentant une stabilité et une tenabilité plus élevées sont considérés comme des matériaux prometteurs offrant des performances photovoltaïques plus élevées7. Le ZnSe lui-même est un matériau beaucoup plus prometteur pour la couche de fenêtre8, avec une efficacité élevée et un faible coût. Le CdSe et le ZnSe ont tous deux une capacité d’absorption des photons plus élevée dans la région visible de la longueur d’onde de 400 à 750 nm9. Le CdSe a des caractéristiques très similaires à celles du CdTe et le CdSe possède également un semi-conducteur à bande interdite directe qui a un coefficient d'absorption élevé (α = 104 cm−1 à 720 nm)10. Par conséquent, la cellule solaire CdSe n’a besoin que d’un film très fin (~ 2 µm) pour absorber la lumière du soleil et obtenir une efficacité de conversion de puissance (PCE) plus élevée. Le ZnSe est un matériau non toxique par rapport au CdSe et possède un bord de bande de conduction plus élevé11. De plus, le matériau ZnSe est photosensible avec une bande interdite directe plus large, adaptée aux LED et aux lasers12,13, avec une plage de transparence plus large pour la couche de fenêtre des cellules solaires14. Bien qu'il soit très efficace pour les cellules solaires, le cadmium est un métal lourd toxique15. en cas d'exposition à long terme à l'environnement dont il faut éviter la contamination. Les CdSe ont une stabilité limitée en présence d'humidité et d'oxygène dont la dégradation affecte les performances et la durée de vie des cellules solaires16. Ainsi, son encapsulation ou revêtement protecteur est également nécessaire outre son coût et sa complexité de préparation. De même, le décalage de bande entre ZnSe et CdSe peut perdre les porteurs photogénérés par recombinaison de porteurs . La production à grande échelle peut s'avérer difficile pour la fabrication qui nécessite une technique de dépôt de haute qualité avec un contrôle précis d'une couche à l'autre. Plusieurs études ont été réalisées sur la cellule solaire à base de couche absorbante CdSe, telles que les modifications de la structure de la photoanode TiO2 dans les cellules solaires sensibilisées au CdS/CdSe ont été étudiées et transmises à la photoanode double couche avec 4,92 % de PCE à 0,15 cm2 de surface photoactive18. KC et coll. a optimisé la couche fenêtre ZnSe combinée à la couche absorbante pour les cellules solaires GaAs8. Frese et coll. a présenté une cellule solaire photoélectrochimique CdSe avec un rendement de conversion de 12,4 % en électrolyte alcalin K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)619. Aghmiyoni et al. ont utilisé une couche PEDOT : PSS dopée au pentacène pour l'injection de trous et leurs simulations optoélectriques ont été étudiées sur les performances des cellules solaires hybrides P3HT : CdSe. Il a été constaté que le travail de sortie de la couche a été réduit de 5,1 à 4,9 eV, ce qui a permis d'améliorer l'efficacité7. Dey et coll. appliqué un simulateur AMPS-1D avec un absorbeur CdSe et la couche tampon ZnS de type n et analysé l'épaisseur de la couche, la concentration de dopage et la température. La structure ITO/ZnS/CdSe avec un absorbeur de 1,2 µm d'épaisseur présentait le PCE = 17,35 %, Jsc = 13,82 mA/cm2, Voc = 1,38 V et FF = 0,90820. De même, Monika et coll. étudié l'efficacité des cellules solaires CdS après sensibilisation et passivation. Les hétérojonctions de type II avec TiO2-CdS-CdSe présentent un transfert d'électrons vers l'anode doublé, ce qui améliore le PCE21. Abdalameer et coll. préparé les nanoparticules de ZnSe en utilisant des feuilles métalliques de zinc et du nitrate de sélénium et sa cellule centrale avec le système à jet de plasma pour la couche de fenêtre de la cellule solaire et le n-ZnSe/p-Si résultant s'est avéré avoir un réglage d'efficacité de 0,89 à 2. % avec le temps de porosité (5–20 min)22.