بررسی به‌کارگیری پوشش های ضدبازتاب در سلول های خورشیدی لایه نازک CZTS برای افزایش جذب نور: بهینه سازی با استفاده از روش FDTD

روش‌های هوشمند در صنعت برق

دوره 12، شماره 47، آذر 1400، صفحه 77-87   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

مینا میرزایی¹؛ جواد حسن زاده کلاشمی^{* 2}؛ علی عبداله زاده ضیابری²؛ مهدی میرزایی³

¹دانشکده علوم، گروه فیزیک- واحد تاکستان، دانشگاه آزاد اسلامی، تاکستان، ایران

²آزمایشگاه تحقیقاتی نانو- واحد لاهیجان، دانشگاه آزاد اسلامی، لاهیجان، گیلان، ایران

³دانشکده علوم پایه- واحد میانه، دانشگاه آزاد اسلامی، میانه، ایران

چکیده

در چند سال گذشته، سلول­های خورشیدی مبتنی بر سولفید قلع روی مس (CZTS) به دلیل ضریب جذب و شکاف باند مناسب، کم هزینه بودن، رفتار غیر رادیواکتیو و سازگار با محیط زیست، جزو سلول­های خورشیدی لایه نازک بسیار امیدوار کننده هستند. با این حال، سلول­های CZTS بازدهی ضعیفی نشان می­دهند و شناسایی کمبودها و ایجاد پیشرفت لازم است. در این مقاله، استفاده از پوشش­های مختلف لایه­های ضد بازتاب (ARC) در سطح بالای سلول خورشیدی پیشنهاد شده است. حداقل­سازی بازتاب برای بهینه­سازی ضخامت لایه­های ضد بازتاب با استفاده از نرم افزار لومریکال انجام شده است. چگالی جریان اتصال کوتاه از 48/18 میلی-آمپر بر سانتیمتر­مربع برای سلول­های خورشیدی بدون پوشش ضد بازتاب به 76/20 میلی-آمپر بر سانتیمتر مربع برای سلول­هایی که دارای پوشش لایه ضدبازتاب MgF₂ هستند افزایش می­یابد.

کلیدواژه‌ها

بازده کوانتومی خارجی؛ پوشش لایه ضدبازتاب؛ تفاضل محدود درحوزه‌ی زمان؛ سلول های خورشیدی CZTS

مراجع

[1] R. Nitsche, D. F. Sargent, P. Wild, "Crystal growth of quaternary 1₂246₄ chalcogenides by iodine vapor transport", Journal of Crystal Growth, vol. 1, pp. 52-53, Oct. 1966 (doi:10.1016/0022-0248(67)90009-7).

[2] K. Ito, T. Nakazawa, "Electrical and optical properties of stannite-type quaternary", Japaneese Journal of Applied Physics, vol. 27, pp. 2094-2097, Sep. 1988.

[3] X. Song, X. Ji, M. Li,W. Lin, X. Luo, H. Zhang, "A review on development prospect of CZTS basedthin film solar cells", International Journal of Photoenergy, vol. 2014, May. 2014 (doi:10.1155/2014/613173).

[4] M. A. Green, E. D. Dunlop, J. Hohl-Ebinger, M. Yoshita, N. Kopikadis, X. Hao, "Solar cell efficiency tables (version 56)", Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 28, pp. 629-638, June 2020 (doi:10.1002/pip.3303).

[5] K. Islam, A. Alnuaimi, H. Ally, Ammar Nayfeh, "ITO, Si₃N₄ and ZnO:Al - Simulation of different anti-reflection coatings (ARC) for thin film a-Si:H solar cells", Institute of Science and Technology, pp. 673-676, 2013 (doi: 10.1109/EMS.2013.112).

[6] Z.I. Alexieva, Z.S. Nenova, V.S. Bakardjieva, M.M. Milanova, H.M. Dikov, "Antireflection coatings for GaAs solar cell applications", Journal of Physics: Conference Series, 2010 (doi:10.1088/1742-6596/22­3/1/0­12045).

[7] M. Moustapha Diop, A. Diaw, N. Mbengue, O. Ba, M. Diagne, O.A. Niasse, B. Ba, J. Sarr, "Optimization and modeling of antireflective layers for silicon solar cells: In search of optimal materials", Materials Sciences and Applications, pp. 705-722, July 2018 (doi:10.4236/msa.2018.98051).

[8] H. Benzetta, M. Abderrezek, M.E. Djeghlal, "Numerical analysis of potential buffer layer for Cu2ZnSnS4 (CZTS) solar cells", Optik, vol. 204, Feb. 2020 (doi:10.1016/j.ijleo.2019.164155).

[9] K.S. Yee, "Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media", IEEE Trans. on Antennasand Propagation , vol. AP-14, pp. 302-307, May. 1966.

[10] J.R. Nagel, "Advanced methods for ligth trapping in optically thin silicon solar cells", Electrical and Computer Engineering, Dec. 2011 (https://collections.lib.utah.edu/ark:/87278/s6qc0j64).

[11] K. N’Konou, P. Torchio, "Optical absorption modeling of plasmonic organic solar cells embedding Ag-SiO₂ core-shell nanoparticles", Noble Metal-Metal Oxide Hybrid Nanoparticles: Fundamentals and Applications, pp. 265-282, 2019 (doi:10.1016/B978-0-12-814134-2.00013-9).

[12] H. Jia, J. Li, Z. Fang, M. Li, "A new FDTD scheme for Maxwell’s equations in Kerr-type nonlinear media", Springer Science+Business Media, LLC, Sept. 2018 (doi:10.1007/s11075-018-0602-3).

[13] S, Royanian, A. Abdolahzadeh Ziabari, R. Yousefi1, "Efficiency enhancement of ultra-thin CIGS Solar Cells using bandgap grading and embedding Au plasmonic nanoparticles", Plasmonics, vol. 15, pp. 1173-1182, Feb. 2020 (doi:10.1007/s11468-020-01138-2).

[14] M. Mirzaei, J. Hasanzadeh, A. Abdolahzadeh Ziabari, "Efficiency enhancement of CZTS solar cells using Al plasmonic nanoparticles: The effect of size and period of nanoparticles", Journal of Electronic Materials, vol. 49, pp. 7168-7178, Oct. 2020 (doi:10.1007/s11664-020-08524-w).

[15] B.J. Trześniewski, I.A. Digdaya, T. Nagaki, S. Ravishankar, I. Herraiz-Cardona, D.A. Vermaas, A. Lon­g­o­, S. Gimenez, W.A. Smith, " Near-complete suppression of surface losses and total internal quantum efficiency in BiVO₄ photoanodes", Energy and Environmental Science, vol: 10, pp. 1517-1529, May. 2017 (doi:10.1039/c6ee03677e).

[16] E.D. Palik, "In handbook of optical constants of solids", Academic Press, vol. 3, New York, 1998. 

[17] H. Zhao, C. Persson, "Optical properties of Cu(In,Ga)Se₂ and Cu₂ZnSn(S,Se)₄", Thin Solid Films, vol. 519, pp. 7508-7512, Jan. 2011 (doi:10.1016/j.tsf.2010.12.217).

[18] V. Tunuguntla, W.C. Chen, P.H. Shih, I. Shown, Y.R. Lin, J.S. Hwang, C.H. Lee, L.C. Chen, K.H. Chen, "A nontoxic solvent based sol-gel Cu₂ZnSnS₄ thin film for high efficiency and scalable low-cost photovoltaic cells", Journal of Materials Chemistry A, vol. 3, pp. 15324-15330, May. 2015 (doi:10.1039/c5ta02833g).

[19] G. K. Dalapati1, S. Zhuk, S. Masudy-Panah et al, "Impact of molybdenum out diffusion and interface quality on the performance of sputter grown CZTS based solar cells", Scientific Reports, vol. 7, pp. 1-12, May. 2017 (doi:10.1038/s41598-017-01605-7).