Study of the electro-optical properties of nanostructured inorganic solar cells with an ultra-thin absorber layer // Etude des propriétés électro-optiques des cellules solaires inorganiques nanostructurées a bas d'absorbeur ulta-mince.

Abstract

أظهرت الخلايا الشمسية ذات الشرائح الرقيقة من تيلوريد الكادميوم (CdTe) كفاءة عالية وفعالية في الأداء من حيث التكلفة في توليد الكهرباء النظيفة. ومع ذلك، فإن الطبقة العازلة CdS الشائعة الاستخدام في هذه الخلايا تثير مخاوف بيئية وصحية بسبب محتواها من الكادميوم. تبحث هذه الأطروحة في أداء الخلايا الشمسية CdTe مع طبقات عازلة مختلفة خالية من الكادميوم تعتمد على كالكوجينيد الزنك (ZnO، ZnSe، ZnS) باستخدام برنامج المحاكاة العددية Silvaco-Atlas. تمت أولا دراسة ومحاكاة هيكل مرجعي للخلية للتحقق من صحة المحاكاة ومدى توافق النتائج المتحصل عليها مع النتائج التجريبية والنظرية السابقة لهيكل الخلية الشمسية الأساسي CdS/CdTe، كفاءة التحويل التي تم الحصول عليها هي 22.14٪، بما يتوافق مع النتائج التجريبية والنظرية السابقة. .في الخطوة الثانية، من أجل تحسين أداء الخلايا الشمسية CdTe ،تم اقتراح استبدال طبقة العازل CdS بـ ZnO و ZnSe و ZnS مما أدى إلى تحسين الكفاءة بنسب 23.04٪ و 23.13٪ و 24.48٪ على التوالي. تم الحصول على أداء عا ٍل من خلال المزيد من التحسينات في سماكة الطبقتين الماصة والعازلة وكثافات التطعيم بتحقيق أفضل كفاءة بنسبة 25.23٪ و 25.04٪ للهياكل بالطبقات العازلة على الترتيب ZnS وZnSe . يُعزى الأداء المتفوق للطبقات العازلة القائمة على الزنك إلى فجوات النطاق الأكبر مقارنة بـ CdS، مما يسمح لمزيد من الفوتونات بالوصول إلى الطبقة الماصة CdTe، وانخفاض قابليتها للتفاعلات الضارة مع الكلور أثناء تصنيع الخلية. توضح هذه النتائج إمكانات الطبقات العازلة لكالكوجينيدات الزنك الخالية من الكادميوم، كبدائل عالية الكفاءة وصديقة للبيئة لـ CdS في الخلايا الشمسية ذات الشرائح الرقيقة CdTe. تحفز النتائج إجراء المزيد من الدراسات التجريبية للتحقق من نتائج المحاكاة وتسريع تطوير أجهزة CdTe الكهروضوئية الخالية من الكادميوم لتوليد طاقة نظيفة مستدامة.

Les cellules solaires en couches minces de tellurure de cadmium (CdTe) ont démontré une efficacité élevée et une rentabilité dans la production d'électricité propre. Cependant, la couche tampon de CdS couramment utilisée dans ces cellules pose des problèmes environnementaux et sanitaires en raison de sa teneur en cadmium. Cette étude examine les performances des cellules solaires CdTe avec diverses couches tampons à base de chalcogénures de zinc sans Cd (ZnO, ZnSe, ZnS) en utilisant des simulations numériques avec le logiciel Silvaco-Atlas. La structure de base de la cellule solaire CdS/CdTe a d'abord été validée, donnant un rendement de conversion de 22,14%, en accord avec les résultats expérimentaux et théoriques précédents. Le remplacement de la couche tampon CdS par ZnO, ZnSe et ZnS a permis d'améliorer le rendement de 23,04%, 23,13% et 24,48% respectivement. Une optimisation supplémentaire des épaisseurs et des densités de dopage de la couche absorbante et de la couche tampon a permis d'atteindre les meilleurs rendements de 25,23% et 25,04% pour les couches tampons ZnS et ZnSe. Les performances supérieures des couches tampons à base de Zn sont attribuées à leurs plus grands gaps par rapport à CdS, permettant à plus de photons d'atteindre la couche absorbante CdTe, et à leur susceptibilité réduite aux interactions néfastes avec le chlore pendant la fabrication des cellules. Ces résultats démontrent le potentiel des couches tampons de chalcogénure de zinc sans Cd, en tant qu'alternatives à haut rendement et respectueuses de l'environnement au CdS dans les cellules solaires en couches minces de CdTe. Les résultats motivent d'autres études expérimentales pour valider les résultats de simulation et accélérer le développement de dispositifs photovoltaïques CdTe sans Cd pour une production d'énergie propre et durable.

Cadmium Telluride (CdTe) thin film solar cells have demonstrated high efficiency and cost-effectiveness in generating clean electricity. However, the commonly used CdS buffer layer in these cells poses environmental and health concerns due to its cadmium content. This study investigates the performance of CdTe solar cells with various Cd-free zinc chalcogenide-based buffer layers (ZnO, ZnSe, ZnS) using numerical simulations with the Silvaco-Atlas software. The baseline CdS/CdTe solar cell structure was first validated, yielding a conversion efficiency of 22.14%, in good agreement with previous experimental and theoretical results. Replacing the CdS buffer layer with ZnO, ZnSe, and ZnS, resulted in improved efficiencies of 23.04%, 23.13%, and 24.48%, respectively. Further optimization of the absorber and buffer layer thicknesses and doping densities enabled achieving best efficiencies of 25.23% and 25.04% for the ZnS and ZnSe buffer layers. The superior performance of the Zn-based buffers is attributed to their larger bandgaps compared to CdS, allowing more photons to reach the CdTe absorber layer, and their reduced susceptibility to detrimental interactions with chlorine during cell fabrication. These findings demonstrate the potential of Cd-free zinc chalcogenide buffer layers, as high-efficiency and environmentally friendly alternatives to CdS in CdTe thin film solar cells. The results motivate further experimental studies to validate the simulation outcomes and accelerate the development of Cd-free CdTe photovoltaic devices for sustainable clean energy generation.