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Si衬底Cu2ZnSnS4太阳能电池的数值分析

刘辉城 许佳雄 林俊辉

刘辉城, 许佳雄, 林俊辉. Si衬底Cu2ZnSnS4太阳能电池的数值分析[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 108801. doi: 10.7498/aps.70.20201936
引用本文: 刘辉城, 许佳雄, 林俊辉. Si衬底Cu2ZnSnS4太阳能电池的数值分析[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 108801. doi: 10.7498/aps.70.20201936
Liu Hui-Cheng, Xu Jia-Xiong, Lin Jun-Hui. Numerical analysis of Cu2ZnSnS4 solar cells on Si substrate[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 108801. doi: 10.7498/aps.70.20201936
Citation: Liu Hui-Cheng, Xu Jia-Xiong, Lin Jun-Hui. Numerical analysis of Cu2ZnSnS4 solar cells on Si substrate[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 108801. doi: 10.7498/aps.70.20201936

Si衬底Cu2ZnSnS4太阳能电池的数值分析

doi: 10.7498/aps.70.20201936
详细信息
    通讯作者:

    E-mail: xujiaxiong@gdut.edu.cn

  • 中图分类号: 88.40.H-, 88.40.hj, 88.40.fc, 73.40.Lq

Numerical analysis of Cu2ZnSnS4 solar cells on Si substrate

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  • 摘要: 在Si衬底上制备的Cu2ZnSnS4(CZTS)太阳能电池具有CZTS与Si衬底的晶格失配低的优点, 但目前其转换效率仍较低. 本文采用异质结太阳能电池仿真软件Afors-het对Si衬底CZTS太阳能电池进行数值计算. 对现有的p-CZTS/n-Si太阳能电池的计算结果表明, 在该电池结构中p-CZTS和n-Si分别起窗口层和吸收层的作用, 但p-CZTS具有高光吸收系数, 使大部分入射光无法透过p-CZTS层进而被n-Si吸收, 限制了电池的转换效率. 本文提出以p-Si作为衬底的n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池结构. 计算得到的p-CZTS/p-Si结构的暗态电流密度-电压(J–V)特性曲线均为线性曲线, 表明p-CZTS与p-Si为欧姆接触以及p-Si作为p-CZTS的背电极的可行性. 进一步计算了p-Si的厚度与掺杂浓度、p-CZTS的厚度与掺杂浓度对n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池光伏特性的影响, 在不考虑寄生串并联电阻效应和缺陷态的理想情况下, 电池的最高转换效率为28.41%. 本文计算结果表明, n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池可解决现有p-CZTS/n-Si结构存在的问题, 是一种合适的Si衬底CZTS太阳能电池结构.

     

  • 图  仿真结构示意图 (a) p-CZTS/n-Si; (b) p-CZTS/p-Si; (c) n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si

    Figure  1.  Diagrams of different structures: (a) p-CZTS/n-Si; (b) p-CZTS/p-Si; (c) n-ZnO:Al/i-ZnO/CdS/CZTS/p-Si.

    图  p-CZTS/n-Si太阳能电池性能随 (a) n-Si的厚度dn-Si, (b) n-Si的掺杂浓度Nn-Si, (c) p-CZTS的厚度dp-CZTS, (d) p-CZTS的掺杂浓度Np-CZTS的变化关系

    Figure  2.  The performances of p-CZTS/n-Si solar cell with the changes of (a) the thickness of n-Si (dn-Si), (b) the doping concentration of n-Si (Nn-Si), (c) the thickness of p-CZTS (dp-CZTS), (d) the doping concentration of p-CZTS (Np-CZTS).

    图  最优p-CZTS/n-Si太阳能电池的 (a) J–V特性曲线, (b)光谱响应, (c)载流子产生率分布图

    Figure  3.  The (a) J–V characteristic curve, (b) spectral response, (c) generation rate distribution of the optimal p-CZTS/n-Si solar cell

    图  p-CZTS/p-Si的J-V特性曲线随p-Si厚度dp-Si的变化

    Figure  4.  J-V characteristic curves of p-CZTS/p-Si with the change of the thickness of p-Si (dp-Si).

    图  p-CZTS/p-Si的J-V特性曲线随p-Si掺杂浓度Np-Si的变化

    Figure  5.  J-V characteristic curves of p-CZTS/p-Si with the change of the doping concentration of p-Si (Np-Si).

    图  p-Si掺杂浓度为 (a) 1 × 1015 cm–3, (b) 1 × 1017 cm–3, (c) 1 × 1019 cm–3时, p-CZTS/p-Si的能带图

    Figure  6.  Band diagrams of p-CZTS/p-Si when the doping concentrations of p-Si are (a) 1 × 1015 cm–3, (b) 1 × 1017 cm–3, (c) 1 × 1019 cm–3

    图  p-CZTS/p-Si的J-V特性曲线随p-CZTS掺杂浓度Np-CZTS的变化

    Figure  7.  J-V characteristic curves of p-CZTS/p-Si with the change of the doping concentration of p-CZTS (Np-CZTS).

    图  p-CZTS掺杂浓度为 (a) 1 × 1015 cm–3, (b) 1 × 1017 cm–3, (c) 1 × 1019 cm–3时, p-CZTS/p-Si的能带图

    Figure  8.  Band diagrams of p-CZTS/p-Si when the doping concentrations of p-CZTS are (a) 1 × 1015 cm–3, (b) 1 × 1017 cm–3, (c) 1 × 1019 cm–3.

    图  n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池的性能随 (a) p-Si厚度dp-Si, (b) p-Si掺杂浓度Np-Si, (c) p-CZTS厚度dp-CZTS, (d) p-CZTS掺杂浓度Np-CZTS的变化关系

    Figure  9.  The performances of n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si solar cell with the changes of (a) the thickness of p-Si (dp-Si), (b) the doping concentration of p-Si (Np-Si), (c) the thickness of p-CZTS (dp-CZTS), (d) the doping concentration of p-CZTS (Np-CZTS).

    图  10  优化的n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si太阳能电池的 (a) J–V特性曲线, (b)光谱响应, (c)内建电场, (d)能带图

    Figure  10.  The (a) J–V characteristic curve, (b) spectral response, (c) built-in electric field, (d) band diagram of the optimal n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si solar cell.

    表  1  仿真参数取值

    Table  1.   Simulated parameters.

    参数 p-CZTS n-CdS i-ZnO n-ZnO p-Si n-Si
    介电常数 10 10 9 9 11.9 11.9
    电子亲和能/eV 3.8 4.2 4.6 4.6 4.05 4.05
    禁带宽度/eV 1.53 2.4 3.3 3.3 1.12 1.12
    导带有效密度/cm–3 2.2 × 1018 1.8 × 1019 2.2 × 1018 2.2 × 1018 3.32 × 1018 3.32 × 1018
    价带有效密度/cm–3 1.8 × 1019 2.4 × 1018 1.8 × 1019 1.8 × 1019 1.44 × 1019 1.44 × 1019
    电子迁移率/(cm2·V–1·s–1) 100 100 100 100 1450 1450
    空穴迁移率/(cm2·V–1·s–1) 57.6 25 25 25 500 500
    受主掺杂浓度/cm–3 变量 0 0 0 变量 0
    施主掺杂浓度/cm–3 0 1 × 1017 1 × 105 1 × 1018 0 变量
    缺陷浓度/cm–3 1 × 1012 6 × 1016 1 × 1017 1 × 1017
    电子俘获截面/cm2 4.13 × 10–14 1 × 10–17 1 × 10–12 1 × 10–12
    空穴俘获截面/cm2 4.13 × 10–11 1 × 10–13 1 × 10–15 1 × 10–15
    厚度/μm 变量 0.05 0.2 0.2 变量 变量
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-17
  • 修回日期:  2021-01-07
  • 网络出版日期:  2021-05-27
  • 发布日期:  2021-05-27

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