Ukrainian Journal of Physical Optics


2025 Volume 26, Issue 2


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

NUMERICAL OPTIMIZATION OF CIGS/CGS DOUBLE-ABSORBER SOLAR CELLS: ENHANCING EFFICIENCY THROUGH THICKNESS AND BANDGAP TUNING

A. Nassour, M. Kandouci, Z. Abu Waar, A. Belghachi and M. Moustafa

Author Information
1Nassour A. SCOPUS logo, 1Kandouci M. SCOPUS logo, 2Abu Waar Z. ORCID logo, 3Belghachi A. ORCID logo, 4,*Moustafa M. ORCID logo
1Department of Electronics, Laboratory of Electronic Photonic and Optronic (LEPO), Djillali Liabes University of Sidi Bel-Abbes, 22000, Algeria
2Department of Physics, College of Science, The University of Jordan, Amman, 11942, Jordan
3Department of Physics, Laboratory of Physics of Semiconductors Devices (LPDS), Tahri Mohamed University of Bechar, 08000, Algeria
4Department of Physics, School of Sciences and Engineering, The American University in Cairo, New Cairo, 11835, Egypt
*Corresponding author: mohamed.orabi@aucegypt.edu

ABSTRACT

In this study, we utilized SCAPS simulation to evaluate the performance of an innovative copper indium gallium selenide (CIGS) - based solar cell architecture meticulously designed to achieve superior conversion efficiency. We employed a novel functionality to predict the absorber layer's bandgap and electron affinity across varying gallium (Ga) concentrations (x). To mitigate back-contact recombination losses, we investigated the incorporation of a copper gallium selenide (CGS) layer with a high bandgap (1.7 eV) near the molybdenum back contact, which acts as an electron reflector. The performance enhancement of CIGS solar cells through Ga grading of the absorber layer is demonstrated. Our findings revealed that in a dual-absorber layer configuration, conversion efficiency steadily increased as the CGS layer's thickness approached approximately 90% of the overall absorber thickness. Additionally, we examined the impact of a graded bandgap toward the back of the top absorber layer, i.e., the CIGS. The results demonstrated that an optimized CIGS (graded)/CGS/Mo system exhibits exceptional photovoltaic performance, achieving an optimal efficiency of 25.98%.

Keywords: CIGS solar cells, graded band gap, conversion efficiency, SCAPS simulation

UDC: 535.2, 620

    1. Tobbeche, S., Kalache, S., Elbar, M., Kateb, M. N., & Serdouk, M. R. (2019). Improvement of the CIGS solar cell performance: structure based on a ZnS buffer layer. Optical and Quantum Electronics, 51, 1-13.
      doi:10.1007/s11082-019-2000-z
    2. Bhattacharya, R. N., Contreras, M. A., Egaas, B., Noufi, R. N., Kanevce, A., & Sites, J. R. (2006). High efficiency thin-film CuIn1−xGaxSe2 photovoltaic cells using a Cd1−xZnxS buffer layer. Applied Physics Letters, 89(25).
      doi:10.1063/1.2410230
    3. Powalla, M., Jackson, P., Witte, W., Hariskos, D., Paetel, S., Tschamber, C., & Wischmann, W. (2013). High-efficiency Cu(In,Ga)Se2 cells and modules. Solar Energy Materials and Solar Cells, 119, 51-58.
      doi:10.1016/j.solmat.2013.05.002
    4. Sivasankar, S. M., Amorim, C. O., & da Cunha, A. F. (2025). Progress in thin-film photovoltaics: A review of key strategies to enhance the efficiency of CIGS, CdTe, and CZTSSe solar cells. Journal of Composites Science, 9(3), 143.
      doi:10.3390/jcs9030143
    5. Díaz-Loera, A., Ramos-Serrano, J. R., & Calixto, M. E. (2022). Semiconducting CuIn (Sx, Se1−x)2 thin-film solar cells modeling using SCAPS-1D. MRS Advances, 7(2), 28-32.
      doi:10.1557/s43580-022-00231-4
    6. Gloeckler, M., Fahrenbruch, A. L., & Sites, J. R. (2003, May). Numerical modeling of CIGS and CdTe solar cells: setting the baseline. In 3rd World Conference onPhotovoltaic Energy Conversion, 2003. Proceedings of (Vol. 1, pp. 491-494). IEEE.
    7. Khoshsirat, N., Yunus, N. A. M., Hamidon, M. N., Shafie, S., & Amin, N. (2015). Analysis of absorber layer properties effect on CIGS solar cell performance using SCAPS. Optik, 126(7-8), 681-686.
      doi:10.1016/j.ijleo.2015.02.037
    8. Decock, K., Lauwaert, J., & Burgelman, M. (2010). Characterization of graded CIGS solar cells. Energy Procedia, 2(1), 49-54.
      doi:10.1016/j.egypro.2010.07.009
    9. Parisi, A., Pernice, R., Rocca, V., Curcio, L., Stivala, S., Cino, A. C., Cipriani, G., Di Dio, V., Galluzzo, G.R., Miceli, R. & Busacca, A. C. (2015). Graded carrier concentration absorber profile for high efficiency CIGS solar cells. International Journal of Photoenergy, 2015(1), 410549.
      doi:10.1155/2015/410549
    10. Gloeckler, M., & Sites, J. R. (2005). Band-gap grading in Cu(In,Ga)Se2 solar cells. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 66(11), 1891-1894.
      doi:10.1016/j.jpcs.2005.09.087
    11. Mattheis, J., Rostan, P. J., Rau, U., & Werner, J. H. (2007). Carrier collection in Cu(In,Ga)Se2 solar cells with graded band gaps and transparent ZnO: Al back contacts. Solar Energy Materials and Solar Cells, 91(8), 689-695.
      doi:10.1016/j.solmat.2006.12.014
    12. Songa, J., Lia, S. S., Huanga, C. H., Andersonb, T. J., & Crisalleb, O. D. Modeling and Simulation of a CuGaSe2/Cu (In1-x, Gax)Se2 tandem solar cell. In Proceedings of the 3 World Conference on Photovoltaic Energy Conversion Conference. Osaka.
    13. Atourki, L., Kirou, H., Ihlal, A., & Bouabid, K. (2016). Numerical study of thin films CIGS bilayer solar cells using SCAPS. Materials Today: Proceedings, 3(7), 2570-2577.
      doi:10.1016/j.matpr.2016.04.004
    14. Soheili, A., Hayati, M., & Shama, F. (2020). An optimized efficient double junction CGS/CIGS solar cell with improved performance. Optik, 222, 165461.
      doi:10.1016/j.ijleo.2020.165461
    15. M. Burgelman, P. Nollet and S. Degrave, 2000. Modelling polycrystalline semiconductor solar cells.Thin Solid Films. 361-362:527-532.
      doi:10.1016/S0040-6090(99)00825-1
    16. Degrave, S., Burgelman, M., & Nollet, P. (2003, May). Modelling of polycrystalline thin film solar cells: new features in SCAPS version 2.3. In 3rd World Conference onPhotovoltaic Energy Conversion, 2003. Proceedings of (Vol. 1, pp. 487-490). IEEE.
    17. Basore, P. A., & Clugston, D. A. (1996, May). PC1D version 4 for Windows: from analysis to design. In Conference Record of the Twenty Fifth IEEE Photovoltaic Specialists Conference-1996 (pp. 377-381). IEEE.
      doi:10.1109/PVSC.1996.564023
    18. Singh, S., Kumar, S., & Dwivedi, N. (2012). Band gap optimization of p-i-n layers of a-Si: H by computer aided simulation for development of efficient solar cell. Solar Energy, 86(5), 1470-1476.
      doi:10.1016/j.solener.2012.02.007
    19. Hernandez-Como, N., & Morales-Acevedo, A. (2010). Simulation of hetero-junction silicon solar cells with AMPS-1D. Solar Energy Materials and Solar Cells, 94(1), 62-67.
      doi:10.1016/j.solmat.2009.05.021
    20. Dagamseh, A. M. K., Vet, B., Šutta, P., & Zeman, M. J. S. E. M. (2010). Modelling and optimization of a-Si: H solar cells with ZnO: Al back reflector. Solar Energy Materials and Solar Cells, 94(12), 2119-2123.
      doi:10.1016/j.solmat.2010.06.039
    21. Benmir, A., & Aida, M. S. (2013). Analytical modeling and simulation of CIGS solar cells. Energy Procedia, 36, 618-627.
      doi:10.1016/j.egypro.2013.07.071
    22. Hadjab, M., Wagner, J. M., Bouzid, F., Boudour, S., Hadj Larbi, A., Bennacer, H., Ziane, Issam, M. Alam, S.M., Hamza, A. & Berrah, S. (2022). A numerical optimization study of CdS and Mg0.125Zn0.875O buffer layers in CIGS-based solar cells using wxAMPS-1D package. International Journal of Modelling and Simulation, 42(2), 179-191.
      doi:10.1080/02286203.2020.1857129
    23. Moustafa, M., Al Zoubi, T., & Yasin, S. (2022). Optoelectronics Simulation of CIGS-Based Solar Cells Using a Cd-Free Nontoxic ZrSxSe2−x as a Novel Buffer Layer. Brazilian Journal of Physics, 52(4), 141.
      doi:10.1007/s13538-022-01146-z
    24. A. Kumar Patel, R. Mishra and S. Kumar Soni, 2023. Electrical and optical parameters optimization and interface engineering for efficiency improvement of double CIGS absorber based solar cell. Solar Energy 257: 125-136.
      doi:10.1016/j.solener.2023.04.034
    25. Ranade, P., Takeuchi, H., King, T. J., & Hu, C. (2001). Work function engineering of molybdenum gate electrodes by nitrogen implantation. Electrochemical and Solid-State Letters, 4(11), G85.
      doi:10.1149/1.1402497
    26. Sze, S. M., Li, Y., & Ng, K. K. (2021). Physics of semiconductor devices. John Wiley & Sons.
    27. Gharibshahian, I., Sharbati, S., & Orouji, A. A. (2018). Potential efficiency improvement of Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells by the window layer optimization. Thin Solid Films, 655, 95-104.
      doi:10.1016/j.tsf.2018.04.014
    28. Kaufmann, C. A., Caballero, R., Unold, T., Hesse, R., Klenk, R., Schorr, S., Nichterwitz, M.& Schock, H. W. (2009). Depth profiling of Cu(In, Ga)Se2 thin films grown at low temperatures. Solar Energy Materials and Solar Cells, 93(6-7), 859-863.
      doi:10.1016/j.solmat.2008.10.009
    29. Jackson, P., Hariskos, D., Lotter, E., Paetel, S., Wuerz, R., Menner, R., Wischmann, W. & Powalla, M. (2011). New world record efficiency for Cu(In,Ga)Se2 thin‐film solar cells beyond 20%. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 19(7), 894-897.
      doi:10.1002/pip.1078
    30. Perkins, C. L., Egaas, B., Repins, I., & To, B. (2010). Quantitative analysis of graded Cu (In1−x,Gax)Se2 thin films by AES, ICP-OES, and EPMA. Applied Surface Science, 257(3), 878-886.
      doi:10.1016/j.apsusc.2010.07.085
    31. Klenk, R. (2001). Characterisation and modelling of chalcopyrite solar cells. Thin Solid Films, 387(1-2), 135-140.
      doi:10.1016/S0040-6090(00)01736-3
    32. Guillén, C., & Herrero, J. (2012). Components distribution in Cu(In,Ga)Se2 films prepared by selenization of evaporated metallic precursors on bare and ITO-coated glass substrates. Journal of Materials Science, 47, 1836-1842.
      doi:10.1007/s10853-011-5970-1
    33. Belghachi, A., & Limam, N. (2017). Effect of the absorber layer band-gap on CIGS solar cell. Chinese Journal of Physics, 55(4), 1127-1134.
      doi:10.1016/j.cjph.2017.01.011
    34. Jo, H. J., Kim, D. H., Kim, C., Hwang, D. K., Sung, S. J., Kim, J. H., & Bae, I. H. (2012). The optical and structural properties of CuIn1−xGaxSe2 thin films fabricated with various Ga contents by using the co-evaporation technique. Journal of the Korean Physical Society, 60, 1708-1712.
      doi:10.3938/jkps.60.1708
    35. Moustafa, M., Al Zoubi, T., & Yasin, S. (2022). Exploration of CZTS-based solar using the ZrS2 as a novel buffer layer by SCAPS simulation. Optical Materials, 124, 112001.
      doi:10.1016/j.optmat.2022.112001

    У цьому дослідженні ми використали моделювання SCAPS для оцінки продуктивності інноваційної архітектури сонячного елемента на основі мідь-індій-галій-селеніду (CIGS), ретельно розробленої для досягнення вищого коефіцієнта перетворення енергії. Була застосована нова функціональність для прогнозування ширини забороненої зони та спорідненості до електронів у шарі поглинача при різних концентраціях галію (Ga) (x). Щоб зменшити рекомбінаційні втрати на задньому контакті, ми дослідили використання шару мідь-галій-селеніду (CGS) із широкою забороненою зоною (1.7 еВ) поблизу молібденового (Mo) контакту, який діє як електронний відбивач. Було продемонстровано покращення продуктивності CIGS-сонячних елементів завдяки градієнтному розподілу галію в шарі поглинача.Наші результати показали, що в конфігурації з двома шарами поглинача ефективність перетворення стабільно зростала при збільшенні товщини CGS-шару до приблизно 90% від загальної товщини поглинача. Крім того, ми дослідили вплив градієнтної зміни ширини забороненої зони в напрямку до задньої частини верхнього поглинаючого шару (тобто CIGS).Отримані результати продемонстрували, що оптимізована система CIGS (з градієнтною шириною забороненої зони)/CGS/Mo забезпечує високу фотоелектричну продуктивність, досягаючи оптимальної ефективності 25,98%.

    Ключові слова: сонячні елементи CIGS, градієнтна заборонена зона, ефективністьперетворення, SCAPSмоделювання

Free download this article 

© Ukrainian Journal of Physical Optics ©