ZnSe의 광전기 특성에 대한 수치적 평가

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12193(2023) 이 기사 인용

이 연구에서는 PC1D 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 얇고 비용 효율적인 태양전지를 위한 ZnO-ZnSe-CdSe 이종접합의 광전기 특성에 대한 수치적 평가를 수행했습니다. p-CdSe 층의 흡수층, n-ZnSe의 윈도우 층, 광 포획이 강화된 투명 전도성 산화물인 ZnO의 반사 방지 코팅(ARC) 층의 두께를 다양하게 변경하여 광전지(PV) 특성을 최적화했습니다. , 와이드 밴드갭 엔지니어링. ΔEc = 0.25eV의 양의 전도대 오프셋(CBO)과 ΔEv = 1.2 − 2.16 = − 0.96 eV의 음의 가전자대 오프셋(VBO)이 있습니다. 포지티브 CBO는 CdSe에서 ZnSe 층으로의 전자 흐름을 방지합니다. 또한, 도핑 농도가 태양전지 성능에 미치는 영향을 분석했습니다. 시뮬레이션 결과는 ARC를 추가함으로써 태양전지의 효율이 증가함을 보여줍니다. 80nm를 초과하는 윈도우 층의 두께에 따른 효율의 빠르고 급격한 증가는 거시적 규모에서 미시적 규모에 대한 형태와 전자 장치의 결합 효과로 인해 흥미롭고 특이하며 틀에 얽매이지 않습니다. ZnO/ZnSe/CdSe 구조의 박막태양전지는 단락전류(Isc) = 1.72 A, 개방전압(Voc) = 0.81 V, 충전율(FF)에서 11.98%의 높은 효율을 나타냈다. = 2μm 흡수체 층, 50nm 윈도우 층 및 78nm ARC 층의 최적화된 두께에서 90.8%. 태양전지의 EQE는 470nm(가시광선 범위)의 특정 파장에서 약 90%로 관찰되었습니다. 이러한 얇은 층의 태양전지는 약 12% 정도의 효율을 적용할 수 있다.

석유, 석탄, 천연가스 등 재생 불가능한 에너지원이 점차 쇠퇴하면서 청정에너지 또는 재생에너지가 인류의 피할 수 없는 구원자로 등장했습니다1,2,3. 태양 에너지는 에너지 위기와 환경 문제라는 막대한 문제를 해결하는 데 도움이 되는 친환경적이고 지속 가능한 자원을 위한 탁월한 선택입니다4. 태양전지의 설계는 전반적인 장치 효율성, 안정성 및 확장성을 위해 이종접합에서 광학 밴드 정렬5이 이루어지도록 수행됩니다. 마찬가지로, 인터페이스 엔지니어링과 도핑 농도는 캐리어 전송을 향상시키고 재결합 손실을 제한하는 역할을 합니다. 마찬가지로 재료와 불순물의 품질, 광흡수, 광자 관리 등이 태양전지 시스템에 큰 영향을 미친다. 반면, 대규모 생산에서는 사용되는 재료의 비용이 매우 중요합니다. 따라서 비용 및 사용된 재료의 양과 관련하여 비용 효과적인 생산에 대한 후속 조사가 19826년부터 논의되어 왔으며 초점이 맞춰져 있습니다. 더 얇은 반사 방지 코팅(ARC), 창 및 흡수층을 갖춘 태양 전지를 제작하는 것은 이와 관련하여 크게 도움이 되는 접근 방식 중 하나입니다.

현재 더 높은 안정성과 지속성을 지닌 II-VI 반도체 화합물(예: CdSe, ZnSe 및 ZnTe)은 더 높은 광전지 성능을 갖는 유망한 재료로 간주됩니다7. ZnSe 자체는 효율성이 높고 비용이 저렴한 윈도우 레이어8에 훨씬 더 유망한 소재입니다. CdSe와 ZnSe는 둘 다 파장 400~750 nm9의 가시광선 영역에서 더 높은 광자 흡수 능력을 가지고 있습니다. CdSe는 CdTe와 매우 유사한 특성을 가지고 있으며 CdSe는 또한 높은 흡수 계수(720 nm에서 α = 104 cm−1)를 갖는 직접 밴드갭 반도체를 가지고 있습니다. 따라서 CdSe 태양전지는 더 높은 전력 변환 효율(PCE)을 위해 햇빛을 흡수하는 데 매우 얇은(~2μm) 필름만 있으면 됩니다. ZnSe는 CdSe에 비해 무독성 물질이며 더 높은 전도대 가장자리를 가지고 있습니다11. 또한, ZnSe 소재는 LED 및 레이저12,13에 적합한 더 넓고 큰 직접 밴드 갭으로 감광성이 있으며 태양 전지 창 층의 투명도 범위가 더 넓습니다14. 태양 전지에 매우 효율적이지만 카드뮴은 독성 중금속입니다15 환경에 장기간 노출되면 오염을 방지해야 합니다. CdSe는 수분과 산소가 존재하는 경우 안정성이 제한되어 있으며 성능 저하가 태양 전지의 성능과 수명에 영향을 미칩니다. 따라서 비용과 준비의 복잡성 외에도 캡슐화 또는 보호 코팅도 필요합니다. 마찬가지로, ZnSe와 CdSe 사이의 밴드 오프셋은 캐리어 재결합에 의해 광생성 캐리어를 잃을 수 있습니다. 스케일 생산은 레이어마다 정밀한 제어가 가능한 고품질 증착 기술이 필요한 제조에 어려울 수 있습니다. CdS/CdSe 감응형 태양전지의 TiO2 광양극 구조 변화와 같은 CdSe 흡수층 기반 태양전지에 대한 여러 연구가 수행되었으며, 0.15 cm2 광활성 영역에서 4.92% PCE를 갖는 이중층 광양극을 제시했습니다. KCet al. GaAs 태양전지용 흡수층과 결합된 ZnSe 창층을 최적화했습니다8. Freseet al. 은 알칼리성 K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 전해질에서 12.4%의 변환 효율을 갖는 CdSe 광전기화학 태양전지를 발표했습니다19. Aghmiyoniet al. 정공 주입을 위해 펜타센이 도핑된 PEDOT: PSS 층을 사용했으며 P3HT: CdSe 하이브리드 태양전지 성능에 대한 광전기 시뮬레이션이 연구되었습니다. 층의 일함수는 5.1eV에서 4.9eV로 감소되었으며 그 결과 효율성이 개선된 것으로 나타났습니다7. Deyet al. 흡수체 CdSe 및 n형 ZnS 버퍼층과 함께 AMPS-1D 시뮬레이터를 적용하여 층의 두께, 도핑 농도 및 온도를 분석했습니다. 1.2μm 두께의 흡수체를 갖는 ITO/ZnS/CdSe 구조는 PCE = 17.35%, Jsc = 13.82mA/cm2, Voc = 1.38V 및 FF = 0.90820을 나타냈습니다. 마찬가지로, Monika et al. 민감화 및 패시베이션 후 CdS 태양 전지의 효율성을 연구했습니다. TiO2-CdS-CdSe를 갖는 유형 II의 이종 접합은 양극으로의 전자 전달이 두 배로 증가하여 PCE21을 향상시키는 것으로 나타났습니다. Abdalameeret al. 아연 금속 시트와 질산 셀레늄을 사용하여 ZnSe 나노 입자를 제조하고 태양 전지의 윈도우 층을 위한 플라즈마 제트 시스템을 갖춘 코어 셀을 제조한 결과 n-ZnSe/p-Si의 효율이 0.89에서 2로 조정되는 것으로 나타났습니다. 다공성 시간의 %(5~20분)22.