Keberkesanan filem nipis berasaskan oksida kuprum sebagai Lapisan penyerap dalam sel suria separa lutsinar: kajian struktur, optik, dan elektrik

Abstract

Sel suria filem nipis separa lutsinar berasaskan bahan oksida kuprum (CuO) dalam industri fotovoltaik menarik perhatian tinggi kerana potensi penggunaannya sebagai tetingkap suria, peranti penuaian tenaga untuk bangunan, kenderaan elektrik dan elektronik fleksibel. Kuprik oksida (CuO) dan kuprus oksida (Cu2O) dikelaskan sebagai bahan stabil bagi sebatian kuprum oksida di mana Cu2O boleh disintesis daripada penyepuhlindapan vakum CuO. Walau bagaimanapun, kecekapan penukaran kuasa peranti berasaskan CuO adalah sangat rendah (~1%) berbanding potensi teorinya bergantung kepada kaedah pembuatan peranti. Oleh itu, objektif kajian ini adalah untuk mensimulasikan dan mengoptimumkan peranti sel suria separa lutsinar berasaskan bahan CuO iaitu dari segi ketebalan dan pendopan lapisan untuk mencapai nilai optimum supaya penyerapan cahaya dan kecekapan sel suria dipertingkatkan. Seterusnya, filem CuO yang teroptimasi, difabrikasi dan peranti itu kemudiannya disepuhlindap dan dicirikan untuk meningkatkan lagi kualiti dan kecekapan filem. Metodologi melibatkan simulasi dan pengoptimuman menggunakan perisian kemuatan sel suria satu dimensi (SCAPS-1D) dan kaedah tatasusunan Taguchi L9. Pembuatan peranti dicapai melalui teknik pemercikan reaktif frekuensi radio (RF). Pencirian bahan termasuk mikroskop elektron pengimbasan pelepasan medan (FESEM), Raman, mikroskop daya atom (AFM), difraktometri sinar-x (XRD) dan spektroskopi optik. Peranti berasaskan CuO diuji menggunakan simulator suria untuk pengukuran kecekapan. Mengikut keputusan kajian berangka, ketebalan CuO yang dioptimumkan adalah di bawah 120 nm dan kepekatan pendopan untuk lapisan penyerap p-CuO adalah di bawah 6×1017 cm-3. Penemuan simulasi mendedahkan bahawa nilai terbaik untuk ketebalan dan kepekatan pendopan lapisan penyerap p-CuO dalam struktur model peranti ialah 110 nm dan 6×1016 cm-3, yang menghasilkan kecekapan sel sebanyak 8.92%. Mengikut keputusan pencirian pula, filem adalah jenis p-(CuO/Cu2O). Morfologi dan permukaan filem nipis Cu2O dan CuO dikaji menggunakan FESEM dan AFM menunjukkan tekstur, kekasaran dan ketebalan lapisan berubah dengan perubahan suhu sepuhlindap yang memberi kesan kepada kecekapan peranti sel suria. Pengukuran optik menunjukkan transmisi optik adalah sekitar 80% di mana 60% ialah di julat panjang gelombang boleh lihat untuk filem nipis Cu2O dan CuO yang sepadan; disepuhlindap pada 370-390 ºC. Untuk filem nipis CuO/Cu2O yang dimendapkan di atas suhu 350 ºC, jurang jalur filem nipis CuO boleh dilaraskan daripada 1.9 eV kepada 2.5 eV dengan peningkatan suhu sepuh lindap dari 370 oC kepada 410 ºC. Pencirian struktur untuk simpangan hetero dari segi XRD dan spektroskopi Raman mengesahkan perubahan bahan CuO menjadi Cu2O dengan peningkatan suhu sepuhlindap. Walau bagaimanapun, suhu sepuhlindap yang terlalu tinggi, pada 430 oC mengurangkan prestasi lapisan penyerap disebabkan oleh kehadiran penghabluran yang tidak seragam. Akhirnya, 27 peranti sel suria lengkap p-(CuO,Cu2O)/n-ZnO/AZO/ITO difabrikasi dengan suhu penyepuhlindapan berbeza dan dicirikan untuk lengkung arus-voltan (IV). Keputusan awal menunjukkan bahawa peranti yang direka mempamerkan ciri-ciri pintasan yang jelas. Ini mungkin disebabkan oleh penukaran unsur kuprum kepada sebatian berasaskan pengoksidaan yang tidak lengkap yang berfungsi sebagai laluan pintasan untuk peranti. Lapisan penyerap CuO boleh didopkan untuk meningkatkan pergerakan cas elektrik dan mengatasi masalah ini. Hasil simulasi dan eksperimental untuk ketebalan lapisan CuO adalah 110 nm dan 150 nm. Perbezaan ini disebabkan oleh limitasi pada kaedah sepuhlindap di mana filem yang terlalu nipis boleh mengalami masalah pintasan. Kestabilan jangka panjang lapisan CuO tidak dinilai dalam skop kerja ini tetapi diakui kesan kelembapan atau sinar UV boleh memberikan masalah degradasi peranti. Kecekapan filem CuO sebagai lapisan penyerap dalam peranti sel suria separa lutsinar boleh diperbaiki di masa hadapan dengan kawalan ketebalan optimum, kristaliniti serta ketulenan melalui deposisi bahan secara laser pulsa atau lapisan atomik. Selain itu, rekabentuk tambahan seperti struktur anti reflektif dan pemantulan belakang boleh juga diterokai untuk mengurangkan kehilangan kuasa cahaya yang diserap.