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摘要

在Si衬底上制备的Cu ₂ZnSnS ₄(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.

关键词:

Cu₂ZnSnS₄/
Si/
背电极/
光伏特性

Abstract

The Cu ₂ZnSnS ₄(CZTS) solar cell prepared on Si substrate has an advantage of low lattice mismatch between CZTS and Si substrate, but the conversion efficiency of reported p-CZTS/n-Si solar cells is still low at present. In this work, the CZTS solar cells on Si substrate are calculated numerically by heterojunction solar cell simulation software Afors-het. The calculated results show that the p-CZTS and n-Si act as window layer and absorber respectively in the p-CZTS/n-Si solar cell because the band gap of p-CZTS is larger than that of n-Si. The conversion efficiency of p-CZTS/n-Si solar cell increases as the thickness of p-CZTS window layer decreases. The highest calculated conversion efficiency of p-CZTS/n-Si solar cell is 18.57%. In the best p-CZTS/n-Si solar cell, most of the incident light cannot pass through the p-CZTS window layer due to the high absorption coefficient of p-CZTS, which limits the conversion efficiency of solar cell. In order to solve the problems existing in the p-CZTS/n-Si structure, a novel n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si solar cell structure is proposed, where n-ZnO:Al and i-ZnO are window layers, n-CdS is buffer layer, p-CZTS is absorber, and p-Si is substrate and back electrode. The dark current density-voltage ( J-V) characteristic curves of p-CZTS/p-Si structure varying with the thickness and doping concentration of p-Si and the doping concentration of p-CZTS are calculated to investigate the feasibility of p-Si as a back electrode of p-CZTS. All the calculated J-Vcharacteristic curves of p-CZTS/p-Si structure are linear, indicating the formation of ohmic contact between p-CZTS and p-Si. The photovoltaic properties of n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si solar cell are further calculated. The built-in electric field distributed in n-ZnO:Al, i-ZnO, n-CdS, and p-CZTS contribute to the collection of photo-generated carriers. The conversion efficiency of n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si solar cell is enhanced with the decrease of the thickness of p-Si and the increase of doping concentrations of p-Si and p-CZTS and the thickness of p-CZTS. Without considering the effect of parasitic series resistance and parallel resistance and defect states, the highest conversion efficiency of ideal n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si solar cell is 28.41%. The calculated results in this work show that the n-ZnO:Al/i-ZnO/n-CdS/p-CZTS/p-Si solar cell has an appropriate structure for CZTS solar cell on Si substrate.

Keywords:

作者及机构信息

通信作者:许佳雄,xujiaxiong@gdut.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 61504029)和广东省科技计划(批准号: 2017A010104017)资助的课题

Authors and contacts

Corresponding author:Xu Jia-Xiong,xujiaxiong@gdut.edu.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61504029) and the Science and Technology Project of Guangdong Province, China (Grant No. 2017A010104017)

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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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