Avaliação numérica das propriedades optoelétricas do ZnSe

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12193 (2023) Citar este artigo

Neste trabalho, uma avaliação numérica das propriedades optoelétricas da heterojunção ZnO – ZnSe – CdSe para uma célula solar fina e econômica foi feita usando o software de simulação PC1D. As propriedades fotovoltaicas (PV) foram otimizadas variando a espessura da camada absorvedora da camada p-CdSe, da camada janela de n-ZnSe e da camada de revestimento anti-reflexo (ARC) de ZnO, um óxido condutor transparente com melhor captura de luz. e engenharia de banda larga. Há um deslocamento positivo da banda de condução (CBO) de ΔEc = 0,25 eV e um deslocamento negativo da banda de valência (VBO) de ΔEv = 1,2 - 2,16 = - 0,96 eV. O CBO positivo impede o fluxo de elétrons do CdSe para a camada ZnSe. Além disso, foi analisado o impacto da concentração de dopagem no desempenho das células solares. Os resultados da simulação revelam o aumento na eficiência das células solares com a adição de um ARC. O aumento rápido e acentuado na eficiência com a espessura da camada da janela além de 80 nm é interessante, incomum e não convencional devido ao efeito combinado da morfologia e da eletrônica em escala macro a micro. A célula solar de película fina com estrutura de ZnO/ZnSe/CdSe exibiu alta eficiência de 11,98% com corrente de curto-circuito (Isc) = 1,72 A, tensão de circuito aberto (Voc) = 0,81 V e fator de preenchimento (FF) = 90,8% a uma espessura otimizada de camada absorvente de 2 μm, camada de janela de 50 nm e camada ARC de 78 nm. O EQE das células solares foi observado em cerca de 90% em um comprimento de onda específico de 470 nm (faixa de luz visível). Cerca de 12% de eficiência de uma célula solar de camada fina é altamente aplicável.

Com o declínio gradual das fontes de energia não renováveis, como o petróleo, o carvão e o gás natural, a energia limpa ou renovável emergiu como o salvador inevitável da humanidade1,2,3. A energia solar é uma excelente opção de recursos verdes e sustentáveis ​​que facilitará a resolução dos enormes problemas da crise energética e das preocupações ambientais4. O projeto de uma célula solar é feito de tal forma que haja alinhamento de banda óptica5 na heterojunção para eficiência, estabilidade e escalabilidade geral do dispositivo. Da mesma forma, a engenharia de interface e a concentração de dopagem desempenham o seu papel para melhorar o transporte de transportadores e limitar as perdas de recombinação. Da mesma forma, a qualidade do material e das impurezas, a absorção de luz e o gerenciamento de fótons afetam grandemente o sistema de células solares. Por outro lado, o custo do material utilizado importa muito na produção em escala. Assim, estão em foco as consequentes investigações sobre a produção custo-efetiva no que diz respeito ao custo e à quantidade de material utilizado, discutidas desde 19826. A fabricação de células solares com revestimento anti-reflexo (ARC) mais fino, janela e camada absorvente é uma das abordagens que ajuda significativamente nesse aspecto.

Atualmente, compostos semicondutores II-VI (como CdSe, ZnSe e ZnTe) com maior estabilidade e durabilidade são considerados materiais promissores com maior desempenho fotovoltaico . O próprio ZnSe é um material muito mais promissor para camada de janela8, com alta eficiência e baixo custo. CdSe e ZnSe têm maior capacidade de absorção de fótons na região visível do comprimento de onda 400–750 nm9. O CdSe possui características muito semelhantes ao CdTe e o CdSe também possui um semicondutor de bandgap direto que possui um alto coeficiente de absorção (α = 104 cm-1 em 720 nm)10. Portanto, a célula solar CdSe precisa apenas de um filme muito fino (~ 2 µm) para absorver a luz solar e obter maior eficiência de conversão de energia (PCE). O ZnSe é um material atóxico em comparação ao CdSe e possui maior borda de banda de condução . Além disso, o material ZnSe é fotossensível com um grande intervalo de banda direta mais amplo apropriado para LEDs e lasers 12,13 com uma faixa de transparência mais ampla para a camada de janela das células solares 14. Embora seja altamente eficiente para células solares, o cádmio é um metal pesado tóxico 15 após exposição prolongada ao ambiente cuja contaminação deve ser evitada. Os CdSe apresentam estabilidade limitada na presença de umidade e oxigênio cuja degradação afeta o desempenho e a vida útil das células solares . Assim, seu encapsulamento ou revestimento protetor também é necessário além do custo e da complexidade de preparo. Da mesma forma, o deslocamento de banda entre ZnSe e CdSe pode perder os portadores fotogerados por recombinação de portadores . A produção em escala pode ser um desafio para a fabricação que necessita de uma técnica de deposição de alta qualidade com controle preciso de camada para camada. Vários estudos foram realizados na célula solar baseada em camada absorvedora de CdSe, como as mudanças na estrutura do fotoânodo de TiO2 em células solares sensibilizadas por CdS / CdSe foram estudadas e encaminharam o fotoânodo de camada dupla com 4,92% de PCE em 0,15 cm2 de área fotoativa . KC et al. otimizou a camada de janela ZnSe combinada com a camada absorvedora para células solares GaAs8. Frese et al. apresentou célula solar fotoeletroquímica CdSe com eficiência de conversão de 12,4% em eletrólito alcalino K3Fe (CN) 6 / K4Fe (CN) 6 . Aghmiyoni et al. usaram PEDOT: camada PSS dopada com pentaceno para a injeção de buracos e suas simulações optoelétricas foram estudadas do desempenho de células solares híbridas P3HT: CdSe. Verificou-se que a função de trabalho da camada foi reduzida de 5,1 para 4,9 eV, como resultado a eficiência foi melhorada7. Dey et al. aplicou um simulador AMPS-1D junto com o absorvedor CdSe e a camada tampão ZnS tipo n e analisou a espessura da camada, concentração de dopagem e temperatura. A estrutura ITO/ZnS/CdSe com absorvedor de 1,2 μm de espessura exibiu PCE = 17,35%, Jsc = 13,82 mA/cm2, Voc = 1,38 V e FF = 0,90820. Da mesma forma, Monika et al. estudaram a eficiência de células solares CdS após sensibilização e passivação. As heterojunções do tipo II com TiO2-CdS-CdSe exibiram que a transferência de elétrons para o ânodo é duplicada o que potencializa o PCE21. Abdalameer et al. preparou as nanopartículas de ZnSe usando folhas metálicas de zinco e nitrato de selênio e sua célula central com o sistema de jato de plasma para a camada de janela da célula solar e o n-ZnSe/p-Si resultante foi encontrado com ajuste de eficiência de 0,89 a 2 % com o tempo de porosidade (5–20 min)22.