Оптимізація продуктивності двобічних тонкоплівкових сонячних елементів CZTS для досягнення максимальної ефективності перетворення енергії

Автор(и)

  • M. Zebach Laboratory for the Development of Renewable Energies and their Applications in Saharan Areas, TAHRI Mohammed University, Bechar-Algeria 08000
  • A. Hemmani Laboratory for the Development of Renewable Energies and their Applications in Saharan Areas, TAHRI Mohammed University, Bechar-Algeria 08000
  • H. Khachab Laboratory for the Development of Renewable Energies and their Applications in Saharan Areas, TAHRI Mohammed University, Bechar-Algeria 08000

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe71.5.469

Ключові слова:

сонячнi елементи CZTS, тонкi плiвки, двобiчна фотоелектрична система, числове моделювання, гетероперехiд

Анотація

Кестерит Cu2ZnSnS4 (CZTS) є одним з найперспективнiших поглинальних матерiалiв для тонкоплiвкових сонячних елементiв завдяки своєму прямозонному переходу (1,1–1,5 еВ), високому коефiцiєнту поглинання (>104 см−1), поширеностi на Землi, нетоксичностi та низькiй вартостi виробництва. Незважаючи на цi переваги, ефективнiсть пристроїв на основi CZTS залишається обмеженою утворенням вторинної фази, електронними дефектами та нестабiльнiстю виготовлення. У цiй роботi розроблено числову модель для двобiчного тонкоплiвкового сонячного елемента CZTS з використанням самоузгодженого методу пуассонiвського дрейфу-дифузiї, реалiзованої в MATLAB/Simulink. Шляхом оптимiзацiї товщини поглинача та буферного шару досягнуто максимальної ефективностi перетворення енергiї (PCE) 19,66% для двобiчного CZTS пристрою з поглиначем товщиною 4 мкм та буферним шаром CdS товщиною 10 нм. Цей результат перевищує зареєстрованi експериментальнi показники ефективностi для подiбних гетеропереходiв CZTS (приблизно 15,8%), залишаючись при цьому нижчим за теоретичну межу Шоклi–Квайссера 32,4%. Отриманi результати пiдкреслюють потенцiал двобiчних архiтектур CZTS як ефективної стратегiї покращення фотоелектричних характеристик сонячних елементiв.

Посилання

1. National Renewable Energy Laboratory (NREL) 2025, Best Research-Cell Efficiency Chart.

2. M.A. Green. Improved silicon optical parameters at 25 ∘C, 295 K and 300 K including temperature coefficients. Prog. Photovolt. Res. Appl. 30, 164 (2021).

https://doi.org/10.1002/pip.3474

3. S. Suresh, D.J. Rokke, A.A. Drew, E. Alruqobah, R. Agrawal, A.R. Uhl. Extrinsic doping of ink-based Cu(In,Ga)(S,Se)2-absorbers for photovoltaic applications. Adv. Energy Mater. 12, 2103961 (2022).

https://doi.org/10.1002/aenm.202103961

4. M. Minbashi, M.K. Omrani, N. Memarian, D. Kim. Comparison of theoretical and experimental results for bandgap-graded CZTSSe solar cell. Curr. Appl. Phys. 17, 1238 (2017).

https://doi.org/10.1016/j.cap.2017.06.003

5. H.B. Sawa, M. Babucci, J. Keller, C.P. Bj¨orkman, N.R. Mlyuka, M.E. Samiji. Effects of Al2O3 rear interface passivation on the performance of bifacial kesterite-based solar cells with fluorine-doped tin dioxide back contact. Phys. Status Solidi B 261 (10), (2024)

https://doi.org/10.1002/pssb.202400080

6. W. Shockley, H.J. Queisser. Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells. J. Appl. Phys. 32, 510 (1961).

https://doi.org/10.1063/1.1736034

7. W. Wang, M.T. Winkler, O. Gunawan, T. Gokmen, T.K. Todorov, Y. Zhu, D.B. Mitzi. Device characteristics of CZTSSe thin-film solar cells with 12.6% efficiency. Adv. Energy Mater. 4, 1301465 (2013).

https://doi.org/10.1002/aenm.201301465

8. J. Kim, D. Kim, D. Hwang. Efficiency enhancement of bifacial Cu2ZnSnSe4 thin-film solar cells on indium tin oxide glass substrates by suppressing In-Sn diffusion with Mo interlayer. J. Power Sources 400, 9 (2018).

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.08.001

9. M. Espindola-Rodriguez, D. Sylla, Y. S'anchez et al. Bifacial Kesterite Solar Cells on FTO Substrates.ACS Sustain. Chem. Eng. 5, 11516 (2017).

https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.7b02797

10. D. Mora-Herrera, M. Pal, J. Santos-Cruz. Theoretical modelling and device structure engineering of kesterite solar cells to boost the conversion efficiency over 20%. Sol. Energy 220, 316 (2021).

https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.03.056

11. J. Kim, J. Kang, D. Hwang. Transparent conducting properties of Re-doped β-MoO3 films. APL Mater. 4, 096104 (2016).

https://doi.org/10.1063/1.4963154

12. S.M. Sze, M. Lee. Semiconductor Devices: Physics and Technology (Wiley, 2012).

13. J. Singh. Optical Properties of Condensed Matter and Applications (Wiley, 2006).

https://doi.org/10.1002/0470021942

14. X. He, H. Shen, J. Pi, C. Zhang, Y. Hao, X. Shi. Synthesis and optical properties of Cu2SnZnS4 films under different sulfur atmospheres. Rare Met. 37, 808 (2014).

https://doi.org/10.1007/s12598-014-0350-z

15. F.Z. Boutebakh, A. Beloucif, M.S. Aida, A. Chettah, N. Attaf. Zinc molarity effect on Cu2ZnSnS4 thin film properties prepared by spray pyrolysis. J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 29, 4089 (2017).

https://doi.org/10.1007/s10854-017-8353-9

16. A. Kanevce, I. Repins, S. Wei. Impact of bulk properties and local secondary phases on the Cu2 (Zn, Sn) Se4 solar cells open-circuit voltage. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 133, 119 (2014).

https://doi.org/10.1016/j.solmat.2014.10.042

17. W. Zhang, C. You, Z. Dan, W. Wang, R. Dong. Improved performance of Cd-free CZTS thin-film solar cells by using CZTS0.4Se0.6 BSF layer. J. Phys.: Conf. Ser. 2418, 012002 (2023).

https://doi.org/10.1088/1742-6596/2418/1/012002

18. W. Zhang, J. Tang, Y. Niu, R. Huang, L. Chen, M. Jiang. Study the best ratio of S and Se in CZTSSe solar cells with nontoxic buffer layer. J. Renew. Sustain. Energy 13, 033501 (2021).

https://doi.org/10.1063/5.0046648

19. N.A. Benami. Effect of CZTS parameters on photovoltaic solar cell from numerical simulation. J. Energy Power Eng. 13, 1 (2019).

https://doi.org/10.17265/1934-8975/2019.01.003

20. O. Simya, A. Mahaboobbatcha, K. Balachander. A comparative study on the performance of Kesterite based thin film solar cells using SCAPS simulation program. Superlattices Microstruct. 82, 248 (2015).

https://doi.org/10.1016/j.spmi.2015.02.020

21. A. Emrani, P.P. Rajbhandari, T.P. Dhakal, C.R. Westgate. Cu2ZnSnS4 solar cells fabricated by short-term sulfurization of sputtered Sn/Zn/Cu precursors under an H2S atmosphere. Thin Solid Films 577, 62 (2015).

https://doi.org/10.1016/j.tsf.2015.01.051

Завантаження

Опубліковано

2026-05-11

Номер

Том 71 № 5 (2026)

Розділ

Фізика поверхні

Ліцензія

Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна

Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:

1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.

2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.

3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.

4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.

5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.

6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.

Як цитувати

Оптимізація продуктивності двобічних тонкоплівкових сонячних елементів CZTS для досягнення максимальної ефективності перетворення енергії. (2026). Український фізичний журнал, 71(5), 469. https://doi.org/10.15407/ujpe71.5.469