Evaluación numérica de propiedades optoeléctricas de ZnSe.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12193 (2023) Citar este artículo

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En este trabajo, se realizó una evaluación numérica de las propiedades optoeléctricas de la heterounión ZnO-ZnSe-CdSe para una célula solar delgada y rentable utilizando el software de simulación PC1D. Las propiedades fotovoltaicas (PV) se han optimizado variando el espesor de la capa absorbente de la capa p-CdSe, la capa ventana de n-ZnSe y la capa de revestimiento antirreflectante (ARC) de ZnO, un óxido conductor transparente con captura de luz mejorada. e ingeniería de banda prohibida amplia. Hay un desplazamiento positivo de la banda de conducción (CBO) de ΔEc = 0,25 eV y un desplazamiento negativo de la banda de valencia (VBO) de ΔEv = 1,2 − 2,16 = − 0,96 eV. El CBO positivo impide el flujo de electrones desde la capa de CdSe a la capa de ZnSe. Además, se ha analizado el impacto de la concentración de dopaje en el rendimiento de las células solares. Los resultados de la simulación revelan el aumento de la eficiencia de las células solares al añadir un ARC. El rápido y brusco aumento de la eficiencia con un espesor de la capa de ventana superior a 80 nm es interesante, inusual y poco convencional debido al efecto combinado de la morfología y la electrónica en una escala macro a micro. La célula solar de película delgada con estructura de ZnO/ZnSe/CdSe mostró una alta eficiencia del 11,98 % con corriente de cortocircuito (Isc) = 1,72 A, tensión de circuito abierto (Voc) = 0,81 V y factor de llenado (FF). = 90,8% con un espesor optimizado de capa absorbente de 2 μm, capa de ventana de 50 nm y capa ARC de 78 nm. Se ha observado que la EQE de las células solares es aproximadamente del 90% en una longitud de onda particular de 470 nm (rango de luz visible). Alrededor del 12% de la eficiencia de una célula solar de capa tan fina es altamente aplicable.

Con el declive gradual de las fuentes de energía no renovables, como el petróleo, el carbón y el gas natural, la energía limpia o renovable se ha convertido en la inevitable salvadora de la humanidad1,2,3. La energía solar es una excelente opción de recursos verdes y sostenibles que facilitará la resolución de los enormes problemas de la crisis energética y las preocupaciones medioambientales4. El diseño de una célula solar se realiza de tal manera que haya una alineación de la banda óptica5 en la heterounión para lograr la eficiencia, estabilidad y escalabilidad generales del dispositivo. De manera similar, la ingeniería de interfaz y la concentración de dopaje desempeñan su papel para mejorar el transporte de portadores y limitar las pérdidas por recombinación. Asimismo, la calidad del material y las impurezas, la absorción de luz y la gestión de fotones afectan en gran medida al sistema de células solares. Por otro lado, el coste del material utilizado es muy importante en la producción a escala. Por eso, desde 19826 se discuten las investigaciones posteriores sobre la producción rentable en relación con el coste y la cantidad de material utilizado. La fabricación de células solares con un revestimiento antirreflectante (ARC) más delgado, una ventana y una capa absorbente es uno de los enfoques que ayudan significativamente en este sentido.

Actualmente, los compuestos semiconductores II-VI (como CdSe, ZnSe y ZnTe) con mayor estabilidad y sostenibilidad se consideran materiales prometedores con mayor rendimiento fotovoltaico7. El propio ZnSe es un material mucho más prometedor para la capa de ventanas8 con alta eficiencia y bajo costo. Tanto el CdSe como el ZnSe tienen una mayor capacidad de absorción de fotones en la región visible de longitud de onda de 400 a 750 nm9. El CdSe tiene características muy similares al CdTe y el CdSe también tiene un semiconductor de banda prohibida directa que tiene un alto coeficiente de absorción (α = 104 cm−1 a 720 nm)10. Por lo tanto, la célula solar de CdSe sólo necesita una película muy delgada (~ 2 µm) para absorber la luz solar y lograr una mayor eficiencia de conversión de energía (PCE). El ZnSe es un material no tóxico en comparación con el CdSe y tiene un borde de banda de conducción más alto11. Además, el material ZnSe es fotosensible con una banda prohibida directa más amplia, apropiada para LED y láseres12,13 con un rango de transparencia más amplio para la capa de ventana de las células solares14. Aunque es muy eficiente para las células solares, el cadmio es un metal pesado tóxico15 tras una exposición prolongada al medio ambiente cuya contaminación debe evitarse. Los CdSe tienen una estabilidad limitada en presencia de humedad y oxígeno cuya degradación afecta el rendimiento y la vida útil de las células solares16. Por lo que su encapsulación o recubrimiento protector también es necesario además de su coste y complejidad en su preparación. De manera similar, el desplazamiento de banda entre ZnSe y CdSe puede perder los portadores fotogenerados por recombinación de portadores17. La producción a escala puede ser un desafío para la fabricación que necesita una técnica de deposición de alta calidad con un control preciso de capa a capa. Se han realizado varios estudios en la célula solar basada en una capa absorbente de CdSe, como los cambios en la estructura del fotoánodo de TiO2 en células solares sensibilizadas con CdS/CdSe y se remitieron al fotoánodo de doble capa con 4,92 % de PCE y un área fotoactiva de 0,15 cm218. KC y cols. ha optimizado la capa de ventana de ZnSe combinada con la capa absorbente para células solares de GaAs8. Frese et al. ha presentado una célula solar fotoelectroquímica de CdSe con una eficiencia de conversión del 12,4% en electrolito alcalino K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)619. Aghmiyoni et al. Se ha utilizado PEDOT:capa PSS dopada con pentaceno para la inyección de huecos y se han estudiado sus simulaciones optoeléctricas del rendimiento de células solares híbridas P3HT:CdSe. Se encontró que la función de trabajo de la capa se redujo de 5,1 a 4,9 eV, como resultado se mejoró la eficiencia7. Dey et al. aplicó un simulador AMPS-1D junto con el absorbente CdSe y la capa tampón ZnS de tipo n y analizó el espesor de la capa, la concentración de dopaje y la temperatura. La estructura ITO/ZnS/CdSe con un absorbente de 1,2 μm de espesor exhibió PCE = 17,35%, Jsc = 13,82 mA/cm2, Voc = 1,38 V y FF = 0,90820. De manera similar, Monika et al. Estudió la eficiencia de las células solares de CdS después de la sensibilización y pasivación. Las heterouniones de tipo II con TiO2-CdS-CdSe exhibieron que la transferencia de electrones al ánodo se duplica lo que potencia el PCE21. Abdalameer et al. preparó las nanopartículas de ZnSe utilizando láminas de metal de zinc y nitrato de selenio y su celda central con el sistema de chorro de plasma para la capa de ventana de la celda solar y se encontró que el n-ZnSe/p-Si resultante tenía un ajuste de eficiencia de 0,89 a 2 % con el tiempo poroso (5–20 min)22.

Con la expectativa de limitar los problemas ambientales anteriores junto con otros problemas que limitan la eficiencia, se prefiere la técnica de recubrimiento antirreflectante (ARC). La máxima absorción de la radiación solar en la célula solar es el mayor desafío que puede abordarse mediante el uso de una capa ARC como ZnO, SiNx, MgO, TiO2, Al2O3, ZnS, etc.23. Entre ellos, el ZnO es más eficiente debido a su amplia banda prohibida (3,44 eV a baja temperatura y 3,37 eV a temperatura ambiente), lo que proporciona una mayor transparencia en el rango visible y ultravioleta cercano del espectro24. El ZnO se puede preparar fácilmente como óxido para su uso en diversas aplicaciones debido a su banda prohibida más amplia y sus buenas capacidades antirreflectantes25. Los recubrimientos de ZnO también pueden actuar como estructuras que atrapan la luz, mejorando la absorción de ésta dentro de la célula solar. La superficie de ZnO tiene la capacidad de dispersar la luz, alargando el camino de los fotones dentro de las células y fomentando la absorción. Este efecto de captura de luz es especialmente ventajoso para las células solares de película delgada, donde una mayor absorción de luz puede compensar las capas activas más delgadas26. Los recubrimientos de ZnO tienen una fuerte estabilidad mecánica y química, aumentando su durabilidad y resistencia a los efectos del medio ambiente27. Se están investigando otros recubrimientos ARC, como TiO2 y MgF2, pero su capacidad para minimizar la reflexión en un amplio rango de longitudes de onda estaba limitada28. No eran resistentes a la humedad, la luz ultravioleta u otras condiciones extremas que causaban que sus recubrimientos se degradaran, lo que resultaba en una reducción de sus cualidades antirreflectantes y del rendimiento general de las células solares29. La banda prohibida del ZnO es de ~ 3,37 eV, la del MgF2 (fluoruro de magnesio) es de ~ 7,8 eV y la del TiO2 (anatasa y rutilo) es de ~ 3,0 a 3,2 eV. Flores et al. en su estudio computacional de alineación de banda prohibida informaron que el ZnO/ZnSe con ~ 1,71 eV de banda prohibida entre núcleo y cubierta30 que exhibe una alineación de banda prohibida de tipo II31 es bueno para dispositivos fotovoltaicos.

El uso de ZnO en combinación con ZnSe-CdSe parece ser específico y novedoso. La energía de banda prohibida de ZnSe-CdSe y sus propiedades ópticas afines pueden marcar una diferencia en el rendimiento de la célula solar. Además, la combinación ZnO-ZnSe-CdSe muestra un rendimiento fotoelectroquímico para el fenómeno de intercambio aniónico32. La celda solar recubierta de ZnO también muestra un máximo de 28,04 % de celda solar basada en PCE CdS/CdTe, según lo informado por Ahmmed et al.17 Como resultado, la nueva combinación será un material de ZnO ARC (SLARC) de una sola capa para el Células solares de ZnSe y CdSe para mejorar la eficiencia de la célula solar propuesta. La investigación preliminar determina su estudio posterior con respecto a la estabilidad y confiabilidad a largo plazo.

En este trabajo se utilizó la herramienta de simulación PC1D para el estudio de las propiedades optoelectrónicas de células solares ZnO–ZnSe–CdSe en las que se analizaron los parámetros fotovoltaicos con la variación del espesor de las capas absorbente, ventana y antirreflectante mediante su optimización.

La arquitectura del dispositivo de la célula solar propuesta es la de la Fig. 1. En esta estructura esquemática, se ha elegido CdSe como capa absorbente y actúa como material tipo p. De manera similar, se ha elegido ZnSe como capa de ventana, que actúa como material de tipo n que se encuentra entre la capa de ZnO ARC y el material de tipo p con un área de dispositivo de 100 cm2 respectivamente. Los materiales de los electrodos de la mayoría de los semiconductores son buenos debido a su bajo VBO, es decir, baja barrera de valencia y capacidad de reflexión de electrones, y su mayor CBO. La elección adecuada del material para el contacto posterior mejorará el límite de corriente de cortocircuito de la capa de CdSe33. Sin embargo, hemos utilizado Plata (Ag) como electrodo de contacto posterior y Aluminio (Al) como electrodo de contacto frontal, tal como lo incorporamos en nuestro trabajo anterior34.

Esquema de una célula solar de ZnSe/CdSe con ZnO como ARC.

Existen varios programas de simulación para células solares, entre ellos, se ha elegido la simulación PC1D debido a su libre disponibilidad, código abierto y largo historial de publicaciones35. La herramienta PC1D se utiliza para simular las propiedades optoeléctricas de la celda solar ZnSe-CdSe con los parámetros insertados enumerados en la Tabla 136,37,38,39,40,41. Las intensidades de luz y radiación solar estándar son AM 1,5 y 0,1 W/cm2 (un sol) a una temperatura de 25 °C.

La alineación de bandas (BA) y los desplazamientos de bandas (BO)42 tienen un papel crucial en la reflectancia de la luz, la transmisión de fotoportadores de carga y, por tanto, la eficiencia de la célula solar5,43. Hay tres tipos de alineación de bandas: (a) Tipo I (Brecha a ambos lados): La banda de conducción (CB) y la banda de valencia (VB) de la segunda es más baja y más alta que la de la primera, lo que hace que su banda prohibida sea más estrecha que esa. de primera. (b) Tipo II (Brecha escalonada): Tanto el CB como el VB del segundo son menores que los del primero. (c) Tipo III (Brecha rota): Hay una superposición del CB del segundo al VB del primero, lo que da como resultado una banda prohibida cero entre ellos.

El diagrama esquemático de alineación de bandas de la célula solar ZnO-ZnSe-CdSe se muestra en la Fig. 2. Ambas alineaciones son de tipo II y muestran la migración de fotoelectrones desde ambas uniones hacia el ZnO. Aquí, los electrones se excitan hacia el CB tras la incidencia del fotón en el sustrato, creando así un agujero en el VB. Los portadores de carga fotogenerados se separaron bajo iluminación en semiconductores. Los electrones excitados por la luz incidente saltaron a la banda de conducción (CB), mientras que los huecos quedaron en la banda de valencia (VB). Los electrones excitados se transfieren de potencial más a menos negativo en CB y el hueco creado es de potencial más positivo a menos positivo en VB44. Junto con los electrones emitidos por el ZnO, fluyen hacia el circuito externo. En el otro extremo, los huecos de ZnO en su VB migran al VB de ZnSe y luego juntos al VB de CdSe. Este sistema ha mejorado la PEC debido a la enorme capacidad de captación de luz del CdSe y la novedosa estructura de bandas de estas heterouniones combinadas con capacidad de transferir y separar las cargas. Esta combinación concuerda con el trabajo experimental realizado por Lin y Wang45.

Alineación de bandas y desplazamiento de la célula solar ZnO – ZnSe – CdSe.

A medida que las dos bandas de energía de los semiconductores se alinean, se produce una interacción y se mantiene un nivel de Fermi continuo durante toda la combinación debido a la estructura de banda discontinua. Esta alineación relativa es un desplazamiento de banda. Las propiedades de interfaz y de volumen dan desplazamiento a la banda y pueden modificarse de acuerdo con ellas46. Además, en las uniones heterovalentes, el desplazamiento de la banda se ve afectado por la geometría, las orientaciones, los enlaces de interfaz y la transferencia de carga entre ellos47. La discontinuidad de la banda (diferencia en la banda prohibida de la banda de valencia y la banda de conducción) y el potencial incorporado (las bandas se doblan en la interfaz debido a un desequilibrio de cargas en los dos semiconductores) dan el desplazamiento de la banda según la ecuación de Poisson.

La Figura 2 muestra el desplazamiento de la banda de conducción (CBO) y el desplazamiento de la banda de valencia (VBO) junto con la afinidad electrónica y la banda prohibida a través de la interfaz de unión. La capa central o amortiguadora tiene un hueco de energía de 2,82 eV y una afinidad electrónica de 0,64 eV. Tiene BVO positivo y CBO negativo que muestran una reducción en la recombinación de portadores. Tiene una energía de activación mayor que la del absorbente46,48. La afinidad electrónica del ZnSe (~ − 0,64 eV) es menor que la del CdSe (~ − 0,50 eV), lo que indica la posibilidad de CBO positivo con ΔEc = 0,25 eV y VBO negativo con ΔEv = 1,2–2,16 = − 0,96 eV. El CBO positivo impide el flujo de electrones desde la capa de CdSe a la capa de ZnSe. Tras la incidencia de la luz sobre la superficie de un material, una parte de ella se refleja lo que reduce la absorción y transmisión de los fotones cuya energía depende de la banda prohibida del material. Si la energía de las fotografías reflejadas coincide o está alineada con los bordes de las bandas de valencia y conducción del material, la concentración de portadores aumenta. Hay una transferencia de electrones o huecos reduciendo así el proceso de recombinación. Así, el BO en las heterouniones o interfaces entre los diferentes materiales reducirá la transmisión y aumentará el proceso de recombinación42. El BA o BO en la interfaz depende del recubrimiento de la superficie, las capas interfaciales o el dopaje que, después de la optimización, mejora la transmisión y reduce la recombinación para una mayor eficiencia de los dispositivos optoelectrónicos49.

El espesor de la capa absorbente y de la ventana juega un papel crucial en el rendimiento de las células solares. A medida que aumenta el espesor de la capa absorbente, atrapa más radiación solar generando así más portadores de carga50. Mientras que la capa de ventana en combinación con la capa absorbente forma una unión ap-n en una célula solar de película delgada con heterounión para obtener una banda prohibida más amplia con menor espesor y resistencia en serie51. El espesor afecta a Isc, Voc, PCE y FF de la célula fotovoltaica y se considera en el rango de 0,5 a 3 µm para el absorbente y de 10 a 100 nm para la capa de ventana. Los aumentos en la capa absorbente aumentan Isc de 0,791 a 1,638 A como en la Fig. 3a. Se debe a que se absorben más fotones, lo que produce más pares de electrones con mayor espesor y, por lo tanto, produce más corriente fotoeléctrica52. El Voc disminuye de 0,813 a 0,800 V con un aumento en el espesor de la capa absorbente como en la Fig. 3a debido a una mayor recombinación de portadores a mayor espesor19. De manera similar, la eficiencia aumenta pero el factor de llenado (FF) disminuye con el espesor de la capa absorbente debido a una mayor recombinación del portador a mayor espesor. El valor de eficiencia aumenta de 6,04 a 10,92% mientras que FF disminuye de 93,74 a 83,29% al variar el espesor de la capa absorbente de 0,5 a 3 µm como en la Fig. 3b. Los valores optimizados de Isc = 1,404 A, Voc = 0,805 V, PCE = 9,47% y FF = 83,76% se han observado con el espesor optimizado de 2 µm de la capa absorbente.

Análisis de (a) Isc y Voc (b) Eficiencia y FF con el espesor de la capa absorbente de la célula solar.

En consecuencia, el valor de Isc aumenta de 1,392 a 1,628 A y el valor de Voc disminuye de 0,807 a 0,778 V con un aumento en el espesor de la capa de la ventana como en la Fig. 4a. Además, la eficiencia aumenta con el aumento de la capa de ventana y el FF disminuye a mayor espesor. El valor de eficiencia aumenta de 9,43 a 10,51% mientras que FF disminuye de 83,89 a 82,91% al variar el espesor de la capa de la ventana de 10 a 100 nm como en la Fig. 4b. Los valores optimizados de Isc = 1,404 A, Voc = 0,805 V, PCE = 9,473% y FF = 83,79% se han observado con el espesor optimizado de 50 nm de la capa de ventana. La optimización del espesor más fino de las capas de materiales de la célula solar ayuda a reducir el coste de fabricación.

Análisis de (a) Isc y Voc (b) Eficiencia y FF con el espesor de la capa de ventana de la célula solar.

En cuanto a la capa de ventana de ZnSe, minimiza la pérdida por reflexión al permitir que la luz incidente llegue a la capa absorbente. Las capas están tan optimizadas que permiten que el máximo de fotones las atraviesen. De manera similar, la capa de ZnSe relativamente más gruesa puede absorber cierto porcentaje del incidente y producir portadores de carga que contribuyen a la generación de fotocorriente, lo que en última instancia aumenta la corriente para una mejor eficiencia de la celda53. Para lograr una estructura del dispositivo más delgada como la que hizo Rickus 1982 con el material utilizado y el equilibrio entre transmisión y absorción, el espesor de la capa de la ventana se llevó a 50 nm. El ZnSe de una sola capa relativamente más grueso para una mayor densidad de fotocorriente conduce a una aplicación innovadora6,54. En la Fig. 4b, el aumento de la eficiencia con el espesor del absorbente sin saturación puede deberse a la consideración del rango dentro del límite de absorción. La saturación se alcanza sólo cuando el material absorbente no contribuye a la absorción de luz fresca. Más bien, reabsorbe los fotones ya absorbidos55. La recombinación de los portadores de carga, la longitud de difusión más larga, la resistencia en serie y la calidad del material pueden influir para que el sistema no se sature.

El fuerte aumento de la corriente y la eficiencia (Fig. 4a, b) más allá de 80 nm muestra el comportamiento inusual e inesperado de la célula solar incluso después de la simulación repetida. Según la convención, no podemos considerar el espesor de la capa de la ventana más en relación con la capa activa o absorbente. Al mismo tiempo, hubo una fuerte disminución en el factor de llenado, por lo que no superamos los 80 nm. El fuerte aumento podría deberse a la limitación del simulador PC1D, o la unión puede sufrir una ruptura56 rompiendo todos los enlaces y produciendo una gran cantidad de pares electrón-hueco. Sin embargo, este comportamiento está bien expuesto por Sun et al. 2012 que han fabricado una capa de ZnSe de casi 40 nm de espesor. Han descubierto que las capas individuales de ZnSe muestran una densidad de fotocorriente eminentemente mayor, una eficiencia de fotón incidente a corriente (IPCE) notablemente mayor, de aproximadamente el 42,5 % (la contraparte a granel tiene un 0,25 %) con una fotoestabilidad mucho mejor debido al efecto combinado de la morfología. y la electrónica a escala macro-micro54. Han mostrado estructuras electrónicas únicas e inusuales para espesores ultrafinos junto con su mayor movilidad de portador (t = d2/k2D (d es el tamaño de partícula, k es una constante, D es el coeficiente de difusión de los pares electrón-hueco)57 y bien- límite de grano conectado 58, 59. La resistencia a la transferencia de carga de las cuatro capas atómicas fue la más baja, lo que resultó en un transporte de portador mucho mayor con una baja tasa de corrosión 54. Su distorsión superficial sinérgica los lleva a la fotoestabilidad. El contacto con ZnO, ITO (óxido de indio y estaño), etc. facilita que el electrón fluya en el circuito externo. Esto no es posible con la contraparte masiva del ZnSe o en presencia de moléculas. Han examinado la superficie distorsionada con la estructura fina de absorción de rayos X (XAFS) que muestra su singular y Excelente estabilidad estructural, eficiencia de fotoconversión mejorada y fotoestabilidad. Se logró 2,14 mAcm-2 de densidad de fotocorriente, que es 195 veces mayor que la de su forma masiva. Han informado sus resultados mencionando que este comportamiento de la capa delgada de ZnSe ha abierto nuevas vías. por aportar una serie de excelentes propiedades sin precedentes54.

En su experimento, el ZnSe estuvo en contacto con ITO. Stolarska et al. en 2017 descubrió que ZnO es un material alternativo robusto para el reemplazo de ITO en cuanto a carga ambiental y eficiencia energética del proceso de deposición a través de la técnica de evaluación del ciclo de vida. También es crucial para la producción sostenible de una capa de óxido conductora transparente. Se denomina técnica de evaluación del ciclo de vida (ACV)60. El resultado obtenido en nuestro trabajo de simulación casi concuerda con la literatura anterior.

El rendimiento de la célula solar depende de la concentración de dopaje en las diferentes capas de la célula solar61. En este trabajo, la capa absorbente de CdSe es de dopaje tipo p y la capa ventana de ZnSe es de dopaje tipo n. El impacto de la concentración de dopaje del absorbente y la capa de ventana en propiedades eléctricas como la corriente y la potencia se ha analizado variando 1 × 1016–1 × 1020 cm-3. El valor más alto de corriente (I) = 1,402 A y potencia (P) = 0,952 W se obtuvo con una concentración de dopaje optimizada de 1 × 1017 cm −3 en la capa absorbente como en la Fig. 5a. De manera similar, el valor más alto de corriente (I) = 1.404 A y potencia (P) = 0.901 W se obtuvo con una concentración de dopaje optimizada de 1 × 1017 cm −3 en la capa de la ventana como en la Fig. 5b. El valor optimizado de la concentración de dopaje 1 × 1017 cm-3 se cumplió bien en ambos casos de la capa absorbente y de la ventana.

Análisis de la concentración de dopaje de (a) capa absorbente (CdSe tipo p), (b) capa de ventana (ZnSe tipo n) de una célula solar.

La drástica reducción del rendimiento causada por una mayor concentración de dopaje en semiconductores degenerados se debe principalmente al aumento de la dispersión de portadores, la recombinación Auger, la fijación del nivel de Fermi, la estructura de banda no ideal, etc.62,63,64. La optimización de la concentración de dopaje es necesaria para aumentar de forma equilibrada la concentración de portadores y minimizar su efecto nocivo sobre el rendimiento del dispositivo. Además, la optimización establece la compatibilidad entre los parámetros de entrada y salida para obtener el rendimiento general del sistema. Así, se tiene mayor cuidado a la hora de optimizar respecto a su objetivo, modelado de simulación, métricas de rendimiento y análisis de resultados. Los datos siempre se reiteran, refinan y validan. El espesor de la capa absorbente y de la ventana está enfocado para un mejor rendimiento de todo el sistema.

La optimización del espesor de la capa de la ventana depende de las propiedades antirreflectantes que son 50 nm (es decir, 50 × 10–9 m) como espesor optimizado entre 30 y 100 nm. El absorbente de CdSe varió entre 0,5 y 3 μm (es decir, 50 × 10–6 m) y está optimizado en 2 μm. El espesor también está relacionado con el índice de refracción o densidad de energía óptica del material. La capa de ventana debe garantizar la absorción de la luz y transmitirla a la capa absorbente. El espesor elegido facilita la extracción y recogida eficiente de portadores de carga de la capa absorbente. Con este espesor, la tasa de recombinación es mínima y proporciona un camino efectivo para los portadores de carga hacia el electrodo. Esta capa debe tener una conductividad eléctrica adecuada para un transporte de carga eficiente o una baja resistencia de la lámina junto con compatibilidad de materiales. Este espesor es factible para la deposición de casi 5 capas atómicas de ZnSe sobre el sustrato de CdSe que hemos practicado recientemente para el óxido MXene más delgado mediante el método de deposición por láser de pulso y analizado la superficie con la técnica RHEED65.

La eficiencia de las células solares se puede mejorar añadiendo una capa ARC que disminuya la reflectancia de la radiación solar66,67. El impacto del espesor de la capa ARC en las propiedades fotovoltaicas como Isc, Voc, eficiencia y FF se evaluó variando el espesor de 31 a 107 nm y optimizado a 78 nm. Los valores numéricos de Isc = 1,76 A, Voc = 81 V, PCE = 11,92% y FF = 83,5% se lograron con el espesor optimizado del ARC como en la Fig. 6.

Análisis de (a) Isc y Voc (b) Eficiencia y factor de llenado con el espesor de la capa ZnO ARC de la célula solar.

El espesor no uniforme, los defectos, las contaminaciones en la cámara de deposición, el proceso de limpieza tradicional y la mala película de ZnO afectan el ARC al dispersar la luz68. Para su mejora, el sustrato debe ser compatible con respecto a su coeficiente de expansión térmica, estructura cristalina y las deformaciones y defectos resultantes en la película. La nucleación y el control del crecimiento son otras medidas para una buena película65. Se debe adoptar una técnica de deposición adecuada bajo temperatura, presión y caudal controlados del material depositado junto con la velocidad de deposición. En consecuencia, se debe optimizar el recocido posterior a la deposición para una formación de cristales de calidad. El espesor de la deposición debe ser uniforme. La técnica de deposición que utilizamos recientemente para la formación de una capa de óxido en la preparación de óxido de MXene es preferible para afrontar este desafío65. La preparación de la deposición de ZnO ARC (SLARC) de una sola capa en la célula solar ZnSe-CdSe se puede lograr mediante una técnica novedosa adoptada hasta ahora en este campo. La captura de luz mejorada, la ingeniería de banda prohibida amplia, la estructura simplificada del dispositivo, la compatibilidad con ZnO como óxido conductor transparente y la escalabilidad y versatilidad pueden conducir a la novedad de este tipo de célula solar de heterounión.

El efecto de aumentar el espesor del ARCO y la salida eléctrica depende del modelo del dispositivo y su material. La optimización del espesor del ARC puede mejorar la absorción de luz mediante interferencia óptica, adaptación de impedancia y reducción de la pérdida por reflexión3. Sin embargo, se debe tener cuidado con el aumento de la resistencia en serie que aumenta la pérdida de voltaje, reduciendo así el factor de llenado y la eficiencia en su conjunto3. En consecuencia, la colección de portadores de carga producida en la capa activa se reducirá con el aumento de las tasas de recombinación o la mayor longitud de difusión del portador. De manera similar, existe la probabilidad de bloquear una parte de la luz incidente para que no llegue a la capa activa3. Con el avance de las tecnologías, la deposición de una capa más delgada de 50 nm (~ 5 de espesor atómico)69 también es factible para experimentos que recientemente hemos incorporado para una capa de MXene muy sensible y hemos analizado la superficie65.

La reflectancia de la radiación solar en la superficie de las células solares juega un papel vital para mejorar la tasa de generación de fotocorriente. La capa ARC en la superficie de la célula solar ayuda a absorber los fotones incidentes, reduce la reflectancia y aumenta la Isc debido a la interferencia destructiva67,70. El espesor apropiado de la capa ARC sólo puede producir interferencias destructivas. El espesor (d1) de la capa ARC para obtener un recubrimiento de un material transparente de un cuarto de longitud de onda viene dado por 71,

donde η1, \({\upeta }_{0, } y {\upeta }_{2}\) son los índices de refracción del material de revestimiento, el aire y la capa de la ventana, respectivamente, y λ0 es la longitud de onda de la luz incidente. en una longitud de onda. Usando las Ecs. (1) y (2), hemos calculado el espesor de la capa ZnO ARC. Se han explorado los espectros de reflectancia de diferentes espesores de la capa ZnO ARC entre 300 y 1000 nm de longitud de onda. La reflectancia promedio de 18,91%, 12,2%, 7,53%, 6,45%, 6,61% y 8,07% con un espesor de 31 nm, 47 nm, 63 nm, 78 nm, 93 nm y 107 nm respectivamente en el rango de 400 Longitud de onda de –1000 nm como en la Fig. 7a. La reflectancia mínima promedio mínima (Rav) del 6,45% se obtuvo a 78 nm de espesor de la capa ZnO ARC debido a una interferencia destructiva perfecta72. Las características I – V y P – V de las células solares con y sin capas ARC se han analizado con un espesor optimizado de la capa ARC respectivamente como en la Fig. 7b. Los valores numéricos de I = 1,77 A y P = 1,2 W se han exhibido con la capa ARC, mientras que I = 1,4 A y P = 0,95 W sin la capa ARC como en la Fig. 7b, lo que indica que la deposición de la capa ARC ha mejoró el PCE de la célula solar. Además, las características I – V y P – V de las células solares se han analizado en los diferentes espesores de la capa ARC como en la Fig. 7a. Los valores numéricos de I = 1,77 A y P = 1,2 W se han exhibido en el espesor optimizado de la capa ARC como en la Fig. 8a. Las propiedades fotovoltaicas informadas de las células solares ZnSe-CdSe se resumen en la Tabla 2 y las optimizadas y recomendadas se encuentran en la Tabla 3. Además, el comportamiento más detallado de la célula solar se ha analizado mediante el método de eficiencia cuántica externa (EQE) en un rango especificado de longitud de onda (300–1000 nm)73,74. La EQE de las células solares se ha observado en aproximadamente el 90% en una longitud de onda particular de 470 nm (rango de luz visible), como en la Fig. 8b. Por lo tanto, este estudio de simulación de propiedades optoeléctricas manifiesta que la célula solar ZnSe-CdSe basada en una capa ZnO ARC es rentable al alcanzar una eficiencia de casi el 12% y se estimula con luz visible.

Análisis de (a) reflectancia con el espesor de la capa ARC (b) I, características P – V de la célula solar con o sin capa ARC.

Análisis de (a) I, curva P – V (b) EQE en los diferentes espesores de la capa ARC de la célula solar.

El análisis numérico de las propiedades optoeléctricas de las células solares ZnSe-CdSe se ha investigado con éxito utilizando la herramienta de simulación PC1D. Hemos estudiado la alineación y el desplazamiento de las bandas a través de la heterounión de la célula solar. La afinidad electrónica del ZnSe (~ − 0,64 eV) es menor que la del CdSe (~ − 0,50 eV), lo que indica la posibilidad de CBO positivo con ΔEc = 0,25 eV y VBO negativo con ΔEv = 1,2–2,16 = − 0,96 eV. El CBO positivo impide el flujo de electrones desde la capa de CdSe a la capa de ZnSe. CBOF de Los resultados de la simulación revelan la creciente eficiencia de las células solares al añadirles un revestimiento antirreflectante. Las propiedades fotovoltaicas se han optimizado variando el espesor de la capa absorbente de p-CdSe, la capa de ventana de n-ZnSe y la capa ARC de ZnO y también se investigó el efecto de la concentración de dopaje en el rendimiento de las células solares. La reflectancia mínima promedio mínima (Rav) del 6,45% se obtuvo a 63 nm de espesor de la capa ZnO ARC debido a una interferencia destructiva perfecta. La célula solar ZnO/ZnSe/CdSe exhibió una alta eficiencia del 11,98 % con Isc = 1,72 A, Voc = 0,81 V y FF = 90,8 % con un espesor optimizado de una capa absorbente de 2 μm, una capa de ventana de 50 nm y un ARC de 78 nm. capa. La eficiencia y la corriente de cortocircuito aumentan rápida e inusualmente después de 80 nm de espesor de la capa de ventana de ZnSe, lo que indica la posibilidad de la producción de una gran cantidad de pares electrón-hueco debido al efecto combinado de la morfología y la electrónica en una relación macro a micro. escala. lo cual está en buen acuerdo con la literatura anterior. Por lo tanto, las propiedades optoeléctricas de este estudio mostraron que la célula solar ZnSe-CdSe basada en una capa ZnO ARC es barata, estimulada por luz visible y eficiente para fabricar células solares de alto rendimiento dentro del límite optimizado.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Deb Kumar Shah

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Correspondencia a D. Parajuli.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Parajuli, D., KC, D., Khattri, KB et al. Evaluación numérica de las propiedades optoeléctricas de células solares ZnSe-CdSe con capa de revestimiento antirreflectante de ZnO. Representante científico 13, 12193 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38906-z

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Recibido: 18 de mayo de 2023

Aceptado: 17 de julio de 2023

Publicado: 27 de julio de 2023

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