Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrica l  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   10 ,  No.   3 ,  June   2020,  pp. 2 918~ 2925   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v10 i 3 . pp291 8 - 29 25        2918       Journ al h om e page :  http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   Des i gn m odern  structur e for het erojunct ion qu antum    dot solar  cells       A.  Th ab e t 1 , S.   Abdel hady 2 ,  Y oussef   M oba rak 3     1 El e ct ri ca l   Eng in ee ring   Depa r tment,   Co ll eg e  of   E ngine er ing, Qassim   Univer sit y ,   K ingdom of  S audi  A rab ia   3 El e ct ri ca l   Eng in ee ring   Depa r tment,   Fa cul t y   of En gine er ing,   Kin g  Abdulaz i z  Univ e rsit y ,   K ingdom o f  S audi   A r abi a   1,2,3 Nanote chno l og y   Resea r ch  C e nte r, Fac u lty   of   Ene rg y   Engi n ee r ing,   As wan  Univ ersity ,   Eg y pt       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Ma r 25 , 201 9   Re vised  Dec  5 ,   2019   Accep te d  Dec  13, 201 9     Thi s  pape r  pro posal  new  struct ure   for  impro ving  the   optica l,   elec tri c al  cha ra cteri sti cs  and  eff ic i ency   of   3 rd   gene rat ion  het ero junc t ion  quant um   dot   solar  ce l l  (HJ QDSC)  (IT O/CdS /QDP bS/Au)   m o del   b y   using  the   quant um   dot   window  lay er  in stea d  of  bulk  struct ure   l a y ers  cel l.   Also,  thi s  pap er  pre sents  the ore ti c al l y   an aly s is  for  the   per form anc e  of  the   proposal  HJ QDSC   (IT O/QD CdS /Q DP bS/Au)  structure.   Th e  new  design  struct ure   was  appl ied   on  tra d it ion al   (S nO2/CdS /CdT e/Cu) a nd  ( ZnO/C dS/CIGS /Mo)  thi n  f il m   sola r  ce l ls  which  b ase d  on  sub - m ic ro  a bsorber  lay e r  th i ckne ss   m odel s  b y   r eplac ing   the   bulk  CdTe,  CIGS   absorbe r  l a y ers  and  CdS   window  lay e r  with  quant um   dot  size   m at er i al s  to  ac h ie ve  highe r  eff i cienc y   with  l esser  usage   lay e r   m at eri a l.   Also,  i t  has  bee n  studi ed  the   e ffe c t  of  using  sem ic onduct ors  lay e rs   in  quant um   dots  size   on  elec tr ic   a nd  opti cal  prope rti es  of  thi n  fi lm  solar  ce l ls  and  the   eff e ct   of  window  and  absorbe r  lay e r s  quant um   dots  rad ii   on     the   per form an ce   of  solar  cells.   Fi nal l y ,   a  th ermal   eff ici ency   anal y s is  has  bee n   inve stigated   for explaining the   i m porta nce   o f  ne w struc ture HJQ D sola r cells.   Ke yw or d s :   Ab s orbe r   Energy c onve r sion   Heter ojuncti on   Qu a ntu m  d ot   So la r  cell   Copyright   ©   202 0   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   right s reserv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Safaa  A bd el ha dy,    Dep a rt m ent o f El ect rical  En gi neer i ng,   Asw a n U niv e r sit y,   Saha ry Roa d,   Asw a n   8152 8,   Egypt.   Em a il : eng safa a33@ gm ail.co m       1.   INTROD U CTION   Seve ral  so la r  te chnolo gies  in cl ud in g  wa fer,   thin  fil m   and   orga nic,  ha v e  been   r esearc he d  to  achieve   reli abili ty ,  cost - ef fecti ven e ss  and   high  ef fici ency.  Cost  ef fe ct iveness  ca n  be   seen  in  the  use   of   le ss  m at e rial   as  well   as  increas ing   e nergy  co nversi on   e ff ic ie ncy.  The  re du c ti on   in  the  e ff i ci encies  of   t he  pr e vious  m od e ls  du e  to   the  reducti on   of  abs orber   la ye rs  th ic kn ess  ar e  associat ed  wit h  a  nu m ber  of   pro blem s   [1 - 3].     The  3 rd   ge ner at ion   of   s olar  cel ls  te chn iq ue  ba sed  on   novel  a bs or ber   la ye r  m at erial s  with  tun a ble  ba ndga p  that   can  be  tu ned   t o  m a tc h  the  sp ect ral  distribu ti on   of   s o la r  sp e ct ru m   are  cru ci al   and   achieve d  le ss  con s umm at ion  abs orber   la ye r  m at erial .  Qu an tum   do ts  hav e  the  m eri t  of   tu nab le   band gap   as  a  resu lt   of  siz e  var ia ti on   as   well   as  f or m at ion   of  inte rm ediat e  bands .  T he  e ne rg y  ba nd  ga p  increa ses  with   a  decr ease   in   siz e  of  the   qua ntu m   do t,   the  a dju st able  ba ndga p  of   quant um   dots  al lows   the   c on st ru ct io n  of  nanostr uctu re d  so la r  cel l  that  is  able   to  harvest  m ore  of  t he  s olar   s pectr um   [4 ] .  Q uan t um   do ts  c an  ge ner at e  m ulti ple  excit on   (elect ron - hole   pairs )   after co ll isi on   with on e ph oton of en e rg y ex ceedin g  the b a nd   gap. Abs orption   of   UV   photons in  qua ntu m  d ot s   pro du ces   m or e  el ect ro ns  tha n  near  inf rar e d  photons .  Q ua nt um   do ts  em it   up  to  th ree  el e ct rons  per   phot on  due   to  m ulti ple  e xciton  gen e rat ion   as  op po se d  to  only   one  fo r  sta nd a r d  cryst al li ne  si li con   so la r  ce ll   [5 ] .     The  previ ou s   stud y  for  he te rojuncti on  so la r  cel ls  based   on  PbS - QD s/C dS   thin   fil m s   dem on strat in g    an  ac hieve d  e ffi ci ency of 3.3 % [6] .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Desig n moder n st ru ct ure  for  het eroju nction q uantum  dot s ola r cell s ( A.  Thab et )   2919   This  pap e r   proposal  new  str uctu re  f or  pre vious  heter ojuncti on  qua ntum   do t  ITO /C dS/ Q D PbS/ A u  thin  film   so la r  cel l  m od el   to  im pr ov e  the  e ffi ci ency  of   the  m od el   by  us in g  the quan t um   do t  a bsor ber   la ye r  an d  rep la ce d  the  bulk  C dS   wind ow   la ye r   with   quant um   do t  CdS  la ye r.   It  has  been  ap plied  the  ne w  str uctu re   m od el   on   t he   pr e vious  SnO 2 /C dS /C dTe/ C u  an d  Z nO/C dS /C I GS /M o  thin  fil m   m od el s  w hich   ba sed  on     su b - m ic ro   abs orber  la ye r  th ic kn ess   to  im pro ve   the   perform ance  an d  eff ic ie nc y  of   the  cel ls  to   save     the  co nsum pti on   in  t he  a bsor ber  la ye r  m at er ia l.  The  e ff ect  o f   wi ndow  a nd  abs orbe r  la ye r s’  qu a ntu m   do t s   ra dii   on   t he  pe rfor m ance  of  the  sel ect ed  cel ls.  A  com par at ive  stud y  is  do ne  f or  sp eci fyi ng  the   best  siz e  of   window  and  abs orbe r  l ay er  m at eria ls  to  achie ve  hig he r  e ff ic ie nc y  with  le sser  us a ge  sem ic on du ct or   m at erial s  an d  le sser pr oduction co st an d  ti m e.       2.   M AT HEM AT ICA L  MODE LS OF  PR OP OSA L  H JQD  THIN  FILM   SOLA R CEL LS   Con si der i ng   s ph e rical   sh a pe   of   nanostr uct ur e  la ye r  m ater ia l  in  thin  f ilm   so la r  cel l,  base d  on     the  m od el   de ve lop e d  by  Lo ui s  Brus   f or   c ol loidal  qua ntu m   dots.  T he  e ne rg y  band  ga p  of   quant um   dot  la ye r   m at erial   can  be  ap pro xim ated   by  1 ,  an d  that  band gap  energy  value s  increase  as   the  quant um  dot   siz e d ecre ases   [7 ] .     (  ) =    + 2 ℎ 2 2 2   ( 1  +   1 ℎ ) − 1 . 8 2 4     (1)     w he re :  R   is  ra diu s   of  qu a ntum   do t  la ye r   m at erial ,  m eb ,  m hb   are   the   ef fe ct ive  m ass  of   el ect ro n   an d  hole   f or  la ye r  m at eria l,   Q  is  the  el e m entary  charg e,  ε 0   is  the  pe rm i tt ivity  of   f r ee  sp ace ,   an d  h  is  Plan k  c onsta nt .    The  e nergy  ba ndga p  value   of   t he  bu l k  la ye r  m a te rial   cal culat ed  us in g  Var s hni  relat ion   te m per at ur e   dep e ndence  of  the  ba ndga p  in  sem ic on du ct or s  w hich   us in g  in  ab so r be r  or  wi ndow  la ye r  can  be     descr i bed as  [8 - 10] .      =   ( 0 ) −   2     (2)     w he re,  E g ( 0)   is   energy  band  ga p  of   sem ic ondu ct or   m a te rial   at   zero   te m per at ur e ,     an d    are  c on sta nts,   ε b   is   diele ct ric  con s ta nt  of   the  se m ic on duct or  la ye r  m at erial  wh ic h  ca n  be   descr ibe d  by   us ing   the  Drude     m od el  [ 11 - 12 ]   as foll ows:     =   ∞ ( 1 − 2       2 +  (  ) )     (3)     w he re,    is  ang ula r  fr e quenc y  of   li gh t,   0   i s  the  plasm a  a ngular  fr e qu e nc y  of   sem ic on du ct or   la ye r  m at erial ,   mb   is  the  da m pin g  fr e qu e ncy  of   s em ico nd ucto r  la ye r  m at erial .  What ever ,  ε b∞   is  t he  infi nity   diele ct ric  const ant of sem ic ondu ct or lay er m at erial s tha t can  be d et er m ined  as  fo ll ows:     ∞ = ( 1 +   2 (   ) 2 )     (4)     Also ,  G QD   is  the  el ect ro n – hol e  pair  gen e rati on   rate  in  the  quant um   do t  abso r be r  la ye r  can  be  w ritt en  with the  aid  of  the foll owin g  [ 13 ] :      ( λ ) =  ( ) − ( ) [ 1 −  ( ) ] ( ) ℎ     (5)     w he re,     is  t he   ph oton   wa vel eng t h,     is  t he   a bs orpti on  c oe ff ic ie nt   an d  t hick ness   of  th e  thi n  t op   sem ic on duct or   la ye r  (n - la ye r  CdS),     is  the  a bs or ption  coe f fici en t  of  the  a bs or ber   la ye r  ( CdTe,  GIGS   or  Pb S ),   ( )   is  re flec ti on   of  fron t   la ye r  m at erial   (S nO 2 ,   Z nO  or  I TO),  a nd  ( )   is  t he   inten sit y  of  t he  s olar   sp ect ral,     is  th e  spe ed   of  li ght.  T he  a bsor ption  c oeffici ent  of  the   a bs or ber  an d  wi ndow  qua nt um   do ts   la ye r s   (  ( )       )  can  be  cal c ul at ed  ba sed  on t he  Be er - Lam ber t’s la w  as  f ollow s  [ 14 ] :      ( ) =   2 . 30 3 ×      (6)     w he re,      is t he  a bs or ban ce  of t he  a bsor ber o r win dow  la ye r  that cal culat ed   as foll ows:     = 1 −  −      (7)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  3 ,  J une  2020  :   2918  -   2925   2920   a lso,     an d     are t he reflect ance   and tra ns m itta nce  of qua ntum  d ot w in dow or abs orbe r  la ye r  that  evaluate d  f r om t he follo wing  [15]:      =  2 +  2 + 2      1 + 2  2  2 + 2      , and   = 16 0 2  2 1 + 2  2  2 + 2      (8)     The   re fr act ive   ind e x  or   substr at e  o f   qua ntu m   dot   thin   fil m   m at erial   ( ,    )  wi ndow  or  a bsor be r   la ye r  has bee n ca lc ulate d  as  f ollows:        =   √ |  | +  2     (9)     The  diele ct ric  const ant  of  the   qu a ntu m   do t  se m ic on duct or  la ye r  m at erial ,  wh ic h  ca n  be  de scribe d  by   us in g  t he Dr ude m od el  w it h r espect t o [ 11, 1 2,   16 ,  17]  as  fol lows :      =   ∞  ( 1 − 2       2 +  ( ) ) , and  ∞  = ( 1 +   2 (   (  ) ) 2 )   (10)     The  refract ive   ind e x  of   fro nt   thin  film   layer  m a te rial   (ZnO,   I TO  or  SnO 2 )  n x   cal c ulate d  us in g   sel l m ei er  equ at ion s  [ 18 ,  19] .   The  substrat e  la ye r  m at erial   o f  abs orber   la ye r  is  m et a ll ic  m at erial   (Cu,   A u,  Mo) .   The die le ct ric  const ant  of  t he m et al l ic   m at eri al     can  be desc ribe d  as  [ 16 ]:     =    + 1 − 2       2 +  ( )     (11)     w he re,  m   is  t he  m acro scop i c  dam pin g  co ns ta nt  due  to  the  disp e rsion  of   the  el ect ron s  by  the  ion s  of   the  syst e m   of   m e t al li c,  m   is   the  plas m a  ang ular  fr e que ncy,  ε INTRA   is  the   con trib u ti on  from   the  intra - ba nd   transiti ons.  Th e  ref racti ve  in dex   of   s ub st rate  la ye r  m a te rial   of   abs orber   l ay er  cal culat ed  us ing   th e  diele ct ric   const ant  of  m e ta ll ic   su bs trat e  la ye r  ε m   the  fo r ward  di od e  c ur ren t  of  pr opos a l  heteroj un ct io n  qua ntu m   do t  cel ls  can e val uate  [13] as:      ( )   =    [  ( ( + ( )  )  ) − 1 ]     (1 2 )      =  √  e x p   ( −   ) √ ᵼ ᵼ ℎ     (13)     wh e re,     is  re ve rse  sat urat io n  current  de ns i ty   in  qua ntu m   do t  cel ls,    is  the  diode  qu al it y  factor,    is   series  resist anc e.  The  wi dth   of  the  de pleti on   la ye r  dep e nd s  on   the  diele ct ric  con sta nt  of   quant um   do t  abso r be r   la ye r  m a te rial    t hat can  b e  calc ulate d by the  foll ow i ng exp re ss ion [ 20 ] .      =   √ 2 0  (  − ) ( − )     (14)     w he re     is  the  buil t - in  pote ntial ,  −   is  the  co nce ntrati on   of  un com pen sat ed  acce ptors.     Wh at e ver, tota l photo ge ner at ed  c urren t  de nsi ty , th e open  ci rcu it  volt age , e ff ic ie ncy a nd f i ll  f act or   of propo s al   heter ojuncti on  qu a ntu m  d ot m od el s  can  b e  obtai ned [ 13]  as :     ℎ  ( ) = ∫  ( . )  ∞ 0     (15)     The   res ultant  phot ocurr e nt  de ns it y   ( . )   de pende nt  on  the   ge nerat ion   rate  a n d  dep le ti on   wi dt h  of   heter ojunct ion   qu a nt um   do t  cel l  bas e d  on  [13].  T he  net  e xter na l  current  de ns it y  from   pr opos al   heter ojuncti on  qu a ntu m  d ot  a  so la r  cel l  ob ta i ned b y t he foll ow i ng exp ressi on [2 1]:     = ℎ  ( ) −    ( ) −   ( + ( )    ℎ )     (16)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Desig n moder n st ru ct ure  for  het eroju nction q uantum  dot s ola r cell s ( A.  Thab et )   2921   w he re,   ℎ   is  the  sh unt  re sist anc e,  V  is  the  a pp li ed  vo lt a ge.   More ov e r,   t he  op e n  ci rc uit  volt age  of  qu a nt u m   do t t hin   film  so la r  eq uatio n  is  expresse d  as  fo ll ow s  [22]:      = (  ) ln [ ℎ   + 1 ]     (17)      =   ×     (18)     w he re:     is  the   m axi m u m   po int  of  outp ut  powe r  de ns it y  of  qua ntu m   dot  cel l  wh ic h  c al culat e  from    − V  cu rv e .  Final   form   of   eff ic ie ncy  an d  Fil l  factor   of   quan tum   do t  thin  f ilm   so la r  cel l  cal culat ed  b y   the   f ollo wing e xpressi on [22 ] :     .  =      × ℎ      ( 19)      = ℎ   .   × 100     (20)       3.   QUANT UM S OLAR CEL L S PAR AM ET ERS   The  pr opos al   m od el s  are  us e d  pa ram et ers  of   tradit io nal  pract ic a l  m od el s  by  us in g  ne w   te chn iq ues,  thu s ,  it   has   be en  ac hieve d  ne w  high  e ff ic ie ncy  qua ntu m   dot  s olar  cel ls  with  sm al le st  abs orber  an d  window   la ye r  thick ness   f or   savi ng  th e  co nsum ation  of  m at erial s  and  he nce   re duci ng   t he  c os t  [ 2 ,  3 ,  6].   Ta bles  1 - 3   dep ic ts t he   m ain   par am et ers  of  proposal  hete roj un ct io n q ua ntu m  d ot thi n f ilm   m od el s.       Table  1.   Param et ers  of  us a ge  s ub st rate m at eri al s f or a bsor be r  la ye r [23 - 25]   Mater i als   Plas m a  an g u lar  f re q u en cy  ( 10 16 rad/s )   Da m p in g  con stan t (   10 13   s - 1 )   Cu p p er  (Cu )   1 .03   5 .26   Go ld  ( Au )   1 .29   0 .54 9   Molybd en u m   0 .19   1 .14       Table  2.   Param et ers  of  us a ge m at erial s [ 2 ,  3 ,  6 ,  26]   Para m eters   Cd Te   CIGS   Pb S   Cd S   Bu lk  energy ban d  gap  ( eV) at roo m   t e m p eratur e   1 .5   1 .10   0 .39 5   2 .40   Bu lk  abs o rptio n  co ef f icien t  × 10 5 Cm - 1   0 .4   0 .50   0 .00 8   0 .9   Ab so lu te bu lk  diel ectric co n stan t   9 .5   1 3 .6   1 8 .6   1 0 .2   Ban d  gap  ( eV)  at  z ero Kelvin   1 .60 7 7   1 .25   0 .54 3   2 .58   Ban d  gap  para m et er   ʛ   (eVK - 1 )   × 10 − 4   3 .1   1 .02   5   4 .20 2   Ban d  gap  para m et er   (K)   108   272   0 .40   147   Electr o n   m o b ilit y   ( C m 2 / Vs)   320   100   1000   350   Ho le  m o b ility  ( C m 2 /Vs)   40   25   80   50   Ef f ectiv e  m ass  of  electr o n   0 .11   0 .09   0 .1   0 .2   Ef f ectiv e  m ass  of  ho les   0 .35   0 .75   0 .1   0 .7   Plas m a  an g u lar  f re q u en cy  ( × 10 16 rad/s )   0 .05 2   0 .03 9   0 .01 4   0 .08 2   Da m p in g  con stan t (   × 10 13   s - 1 )   8 .88   1 9 .5   1 .76   1 7 .6   Fer m i  velo city  (   ×   10 6   m /s)   0 .59   0 .45   8   0 .89       Table  3.   Param et ers  of  us a ge  t hin   film  so la r  cel ls  m od el s [2 ,  3 ,  6]   Para m eters   Sn O 2 /Cd S/Cd Te/Cu   ZnO/C d S/CIGS/ M o   IT O/Cd S/Q DP b S/ Au   Ab so rber la y er  th i ck n ess  ( n m )   500   360   200   W in d o w layer thic k n ess  ( n m )   100   40   70   Fron t lay e r  th ick n ess  ( n m )   100   450   100   Electr o n  lif eti m e  ( s)   1 × 10 − 8   16 × 10 − 7   16 × 10 − 5   Ho le lif eti m e  (s)   5 × 10 − 8   1 ∙ 6 × 10 − 5   10 − 5   −   th e con cent ration  of   u n co m p en sated  ac cept o rs  (c m - 3 )   2 . 44 × 10 12   7 . 56 × 10 13   0 . 19 × 10 10   Dio d e qu ality  f act o r   1 .6   1 .9   1 .4   Series  resistan ce  ( .  C m 2 )   1 .08   2 .5   2 .1   Sh u n t r esis tan ce ( .  C m 2 )   103   320   204         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  3 ,  J une  2020  :   2918  -   2925   2922   4.   RESU LT S   A ND AN ALYSIS   Qu a ntu m   do t  siz e  can  be  e m plo ye d  in  al l  so la r  cel ls  to  red uce  c os t  by  savin g  us a ge  m at erial s  siz e,   enh a nce  a bsor ption   a nd  ef fici ency  by  co ntr olli ng   the  siz e  of   the  quant um   do t  siz e,  sin ce  sever al   pro per ti es   can  cha nge  du e  to  any  decr e ase  in  the  siz e  of   the  nano part ic le s.  This  work   discu sse s  th e  ben e fit  of   re du ci ng  the  qua ntu m   dot  ra dii  abs orb er  a nd  wi ndow   la ye r  ra dii  on  the  pe rfo rm ance  of  the   hete roj un ct io n  quant um   do t   thin  fil m   so la r   cel ls  (ITO/ Q DCd S/ QDPbS/ Au),  (Z nO/Q D CdS/Q DCI GS / Mo),  ( SnO 2 /Q DCd S/ QD C dT e/ Cu)  m od el s.     4 . 1.     Op tical c ha r act eri z at i on o f  q uant um  do t  la yers   Figure  1  s ho ws  ra dii  eff ec t  on   the  refr act ive  ind e x  and   diele ct ric  con sta nt  of  qu a ntu m   do t   sem ic on duct or s  CdS,   C dTe,  CIGS   a nd  P bS  at   wav e  le ng t h  50 0n m .  It  ha s  bee n  de picte d  that  the  refract ive   ind e x  an d  a bso lute diel ect ric c onsta nt of qua ntu m  d ot ( Cd S , P bS, CI GS  a nd CdTe )  sem ico nd ucto rs  ha ve  b een   lowe r  tha n  t he  re fr act i ve   ind e x  a nd  diele ct ric  co nst ant  of  bulk   m a te rial s;  becau se  of   de creasin g    the  se m ic on du ct or   m at eria l  s iz e .  On   the  ot her   ha nd,  Fig ure   2  desc ribes  the  eff ect   of   na nopa rtic le s  rad ii   of   qu a ntu m   dot  s e m ic on duct ors   la ye rs  (C dTe ,   CdS ,  P bS  an d  CIG S)  on  t he   abs orptio n  c oe ff ic ie nt  a nd  e nergy  band ga p  at   wa ve  le ngth  50 0nm  an d  thick nes s 700nm .     4 . 2.     New  hete rojuncti on   qu an t um  dot  th i n f il m s ola r  ce ll s   Figure  3  il lustr at es   the  short  c ircuit   cu rr e nt  de ns it y,  open  ci rcu it   volt age,   f il l  factor   an d  e ff ic ie ncy  of   heter ojuncti on  qu a ntu m   do t  SnO 2 /QDC dS / QD C dTe/Cu  t hin   film   so la r  cel l  with  var ia nt  quant um   do ts  CdS   and  CdTe   ra dii.   Wh at eve r,  Fi g ure   4  desc rib es  the  s hort  ci r cuit  cu rr e n t  de ns it y,  ope n  ci r cuit  volt age,   fill   facto r   and   e ff ic ie ncy  of   heteroj unct ion   qu a ntu m   do t  Zn o/QDCd S/QD C IGS/M o  thin  film   so l ar  cel l  with  var ia nt  of   qu a ntu m   do ts  CdS  a nd  CIG S   rad ii .  Fig ur e  5  desc ribes  t he  sh ort   ci rc uit  cu rr e nt  de ns it y,  op e n  ci rc uit  vo lt age,  fill   factor  an d  eff ic ie ncy  of  heter ojuncti on  quant um   do t  ITO / QD C dS /Q DPbS/A u  t hin  film   so la r  cel l  with   var ia nt  rad ii   of  quant um   do t  CdS  an d  PbS.   The  tradit io na l  per f or m ance  of   heter ojuncti on   C dS /Q DPb S  has   been  e nh a nce d  by  re placi ng  the  C dS  an d  Q DPbS  la ye r   w i th  qu a ntu m   do t   Q DCdS  a nd  QDPbS  la ye rs   at   rad ii   1n m   or   1.3 5n m .  It  is  no ti ced  that.  the  bes t  nanop a rtic le s  rad ii   f or   wind ow   a nd  abs orb er  la ye rs  is  1n m   fo r   enh a ncin g  t he  op e n  ci rcu it   volt age,  s hort  ci r cuit  cu rr e nt  de ns it y,  fill   facto r  an d  e ne rg y  c onve rsion  e ff ic ie ncy   of the cell .     4 .3 .   C ompari s on   between  t r ad iti onal a nd heter oj u ncti on qu antum  d ots s ola r  cell s   Figure   6  il lustr at ed  the  be nef i t  of   us in g  qua ntu m   do t  siz e  of   wi ndow  la ye r  CdS  instea d  of   bulk  on e   enh a nce d  t he  abs orption  of  window  la ye r   wh ic h  resu lt   m or e  enh a nce m ent  in  J - V   a nd  P - V   cha rac te risti cs.    The  e nh a ncem ent  in  the  J - V  a nd  P - V  c har act erist ic s  of   tra di ti on al   pract ic al   m od el   has  bee n  occ urre d  by  us in g  window  la ye r  CdS  an d  abs orbe r  la ye r  Cd Te  in  qu a ntum   do t  siz e  with  rad ii   1nm   a s  sh ow n  in   Figure  7.     On   t he  oth e r  ha nd,  Fig ur e   8  sh ows  J - V  a nd   P - V  c har act e r ist ic s  of   pr a ct ic al   ZnO /C dS/ CIGS /M o  m odel   and   pro po sal   heter ojuncti on  qua ntu m   do t  Zn O/Q DCd S/ QDC IG S/M o  thin   fil m   so la r  c el l.  Table  4  dep ic t s     the  com par iso n  in  the   pe rform ance  of   pract ic al   pr evi ous  m o dels  [2 ,  3 ,  6]   and   the  heter ojuncti on  qua nt um   do t  pro po sal   m od e ls  at   room   tem per at ur e .  T he   ta ble  show  t hat  the  perfor m ance  of   sel ect ed  m od el s  ha s  bee n  enh a nce d by usi ng w i ndow la ye r  an d  a bsor be r  la ye r  in  qua ntu m  d ot size  with  rad ii   1n m .             Figure  1. R adii effect  on th e r efr act ive  in dex an d  diele ct ric co ns t ant of  quant um d ot sem ic on du ct or s  CdS,  C dTe , CIGS a nd P bS     Figure  2. Ra dii eff ect   on th e a bs or ption coe ffi ci ent  and ene r gy b a nd  gap f or qua ntu m  d ot CdTe , C dS ,  Pb S  and C IGS  la ye rs  at  thick ne ss 70 0n m     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Desig n moder n st ru ct ure  for  het eroju nction q uantum  dot s ola r cell s ( A.  Thab et )   2923         Figure  3.   Q ua nt um  d ots CdS a nd CdTe  r a dii  eff ect   on the  pe rfor m ance  of h et e roj un ct io n q uan t um  d ot  SnO 2 /QDC dS / QD C dTe/Cu  th in f il m  so la r  ce ll         Figure  4.   Q ua nt um  d ots CdS a nd CI GS   ra dii eff ect   on the  pe rfor m ance  of h et e roj un ct io n q uan t um  d ot  Zn O/QD C dS / QD C IGS/M o  t hin   film  so la r  cel l           Figure  5 .   Q ua nt um  d ots CdS a nd P bS   ra dii ef fect o n  the p e rfo rm ance of  heteroj unc ti on   qu a ntu m  dot  ITO / QD C dS /Q DPbS/A u  t hin   fil m  so la r  cel l         Figure  6 .  J - V  a nd P - V  c ha racteri sti cs o f  prac ti cal   heter ojuncti on  qu a ntu m  d o t  a bs or ber la ye r  CdS/Q DPbS m od el  a nd  pro posal  quan t um  d ot   QD C dS /Q DPb S thin fil m  so la r  cel l             Figure  7 .  J - V  a nd P - V  c ha racteri sti cs o f  prac ti cal  su b  m ic ro  S nO 2 /C dS/ CdTe/C u  m od el  and  pro pos al   heter ojuncti on  qu a ntu m  d ot  SnO 2 /QDC dS / QD C dTe/Cu  th in f il m  s olar  ce ll     Figure  8.   J - V  a nd P - V  c ha racteri sti cs o f  prac ti cal  su b  m ic ro  ZnO/C dS/ CIGS /M o m od el  a nd  pro posal   heter ojuncti on  qu a ntu m  d ot  Zn O/QD C dS / QD C IGS/M o  t hin   film  so la r  cel l       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  3 ,  J une  2020  :   2918  -   2925   2924   Table  4.  C om par iso n betwee n effici en cy  and  elec tric  proper ti es o f  t rad it io na l  m od el s a nd  h et er ojuncti on  qu a ntu m  d ot  pr opos al  m od el s  at  r oom  te m per at ur e     Cells   Op en  Circuit  Vo ltag e V o c  (Volt)   Sh o rt  Circu it Cu rr en t  Den sity  J s h   ( m A/ c m 2 )   Fill Factor   F.F   Ef f icien cy   (%)   Cd S/ ( QDPb S _ R= 1 .35 n m )  [ 3 ]   0 .63   12   0 .43   3 .3   (QDCd S/QDPb S ) _ R=1 n m   0 .71   1 7 .75   0 .63   7 .88   (Cd S/Cd Te)  [ 4 ]   0 .58   1 8 .6   0 .65   4 .7   (QDCd S/QDCd T e ) _ R=1 n m   0 .81   3 5 .91   0 .67   1 9 .36   (Cd S/CIGS)  [ 5 ]   0 .59   21   0 .68 5   8 .1   (QDCd S/QDC IGS ) _ R=1 n m   0 .83   3 2 .43   0 .71   1 9 .05       5.   THE RMAL E FFICIE NCY AN ALY SIS     Table  5  de picts  the  therm al   eff ect   on  eff ic ie ncy  o f   pro po sal   heteroj un ct io n  quant um   do t  SnO2 / QD C dS / QD C dTe/Cu ,  Zn O/QD C dS / QD C IGS/M o,  ITO /Q DCdS/ QDPbS/ A u  thin  fil m   so la r  cel ls  at   var i ou s   ra dii  of  window  a nd   abs orbe r  la ye r  m at erial s  CdS,   C dTe.  T he  energy  c onve r sion  ef fici enci es  of   heter ojuncti on  qu a ntu m   do ts   p r opos al   t hin   f ilm   so la r  cel ls  hav e   bee n  hi gher   tha n  the   ef fici ency  of  pr a ct ic al  m od el s  ZnO /C dS /C I GS /M o,  ITO /C dS /Q DPbS/A u,   S nO2/C dS /C dTe/ Cu  thin  film   so la r  cel ls  under   high   therm al  co nd it ion s .       Table  5.  C om par iso n betwee n p rop os al  selec te d  H JQ D  t hin   fil m  so la r  cel ls  and tra diti on al  pract ic al     pr e vious m od e ls   So lar  Cells   Ef f icien cy  %   300K   3 3 0  K   3 5 0  K   3 7 0  K   4 0 0  K   IT O/Cd S/Q DPb S/ Au   1 .47   1 .25   1 .11   0 .98   0 .82   Sn O 2 /Cd S/Cd Te/Cu   6 .15   5 .26   4 .69   4 .13   3 .3 2   ZnO/C d S/CIGS/ M o   8 .00 5   6 .61   5 .74   4 .90   3 .71     Ef f icien cy  at  r ad ii  1 n m   IT O/Q DCd S/QDP b S/Au   7 .88   6 .33   5 .43   4 .63   3 .62   Sn O 2 /QDCd S/QD Cd Te/Cu   1 9 .36   1 7 .34   1 6 .03   1 4 .75   1 2 .88   ZnO/QDC d S/QDC IGS/M o   1 9 .05   1 6 .40   1 4 .81   1 3 .31   1 1 .17     Ef f icien cy  at  r ad ii  1 .5n m   IT O/Q DCd S/QDP b S/Au   4 .57   3 .72   3 .22   2 .78   2 .5   Sn O 2 /QDCd S/QD Cd Te/Cu   1 4 .38   1 2 .82   1 1 .79   1 0 .78   9 .29   ZnO/QDC d S/QDC IGS/M o   1 5 .08   1 2 .89   1 1 .52   1 0 .22   8 .40     Ef f icien cy  at  r ad ii  2 n m   IT O/Q DCd S/QDP b S/Au   3 .43   2 .82   2 .45   2 .13   1 .71   Sn O 2 /QDCd S/QD Cd Te/Cu   1 2 .32   1 0 .94   1 0 .03   9 .14   7 .83   ZnO/QDC d S/QDC IGS/M o   1 3 .36   1 1 .34   1 0 .08   8 .89   7 .19     Ef f icien cy  at  r ad ii  3 n m   IT O/Q DCd S/QDP b S/Au   2 .56   2 .12   1 .86   1 .63   1 .32   Sn O 2 /QDCd S/QD Cd Te/Cu   1 0 .50   9 .29   8 .49   7 .71   6 .6   ZnO/QDC d S/QDC IGS/M o   1 1 .79   9 .93   8 .78   7 .68   6 .11       6.   CONCL US I O N   The  decr ease  in  the  grai n  s i ze  of   C dTe,   CIGS,  CdS ,  P bS   sem ic on du ct or s  to  quant um   do t  siz e   decr ease d  the  diele ct ric  co nst ant  an d  refrac ti ve  in dex.  W hateve r,   us i ng  quant um   do t  siz e  of  Cd Te,  CIGS,   CdS,  PbS  sem ic ondu ct or s   in creased   the   ab so r ptio n  c oeffici ent  of  la ye rs   an d  e nergy  ba nd  ga p.  W i ndow  a nd   abs orber   la ye rs ’  m a te rial s  in  qu ant um   siz e  en han ce d  the  e ne rg y  co nversi on  eff ic ie ncy,  fill   factor,  short  ci rcu i t   current  de ns it y,  ope n  ci rc uit  vo lt age   of  S nO 2 /C dS /C dTe/ Cu,  I TO/C dS / QDPbS/ A u  an d  Z nO /C dS /C I GS /M o  thin  film   so la r   cel ls  tradit io nal   m od el s  th at   are  ha ving  su b - m ic ro   abs orber  la ye rs’   t hick nesses  a nd  lo w   eff ic ie ncies.   More over,   the  re du ct io n  i n  ra di i  of   wind ow   a nd  a bs or ber   la y ers  m at erial s  i n  qu a ntu m   do t  siz e  to  be  1nm   is   the  best  r adius  for  en han ci ng   t he   perform ance  of   hete roj unct ion   q uan t um   do t   ITO / QD C dS /Q DPbS/A u,  Zn O/Q DCd S/ QDC IG S/M o  a nd  SnO 2 /QDC dS / QD C dTe/Cu   c el ls  du e   to  i ncrea sin g  the  e nergy  ba nd g ap  o f  a bsor ber  la ye r  a nd  increasi ng  a bs orptio n  of w in dow   an d  abs orb er  la ye rs  w hich   le ad  t o  decr easi ng  the   rec om bin at ion   a nd  inc reasi ng  the  open   ci rcu it   vo lt age ,  sh ort   ci rc uit  c urren t  de ns it y,  outp ut  powe r  den sit y.  Dec reasin g  t he  siz e  of  quantum   do t  wi ndow  a nd  ab s o r ber  la ye rs’  m at erial s  enh a nced   the p e rfo rm ance of  HJQD pr oposa l sel ect ed c el ls at  h ig h  te m per at ur es .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       Desig n moder n st ru ct ure  for  het eroju nction q uantum  dot s ola r cell s ( A.  Thab et )   2925   ACKN OWLE DGE MENTS   The  pr e se nt  w ork  was  s uppo rted  by  Na no te chnolo gy  Re se arch   Ce nter  at   As wan   U niv e rsity   that  is  est ablished   by   ai din g  the   Scie nce  a nd  Tec hnology  De velo pm ent  Fund  ( S TDF),  Egy pt,  Gr a nt  No :  Proje ct   ID  505, 20 09 - 2011.       REFERE NCE S   [1]   T.   Lee,   A.  Ebon g,   “ A  rev ie w  of  Thi n  Fil m   Solar  Cel l  Technol og ie s  and  Chal l eng es , "  Re newab le   and  Sustainabl e   Ene rgy  Revie ws,   El se vi er ,  Volum e  70,   pp.   1286 - 1 297 ,   April   2017 .    [2]   Z.   Ba i,   J.  Yang ,   S.  DePba  and  D. W ang,   "Thin   Fil m   CdTe   Solar  Cel ls  W it h  an  Abs orbe r  Lay e r  Th ickness   in  Micro -   and  Sub - Micro m et er   sca le , "  Appli ed  Ph ysic s Le tt e rs ,  Volum e  99,   I ss ue  14 ,   2011 .   [3]   O.  lund ber g ,   M.   Bodega rd  and  L. Stolt ,   “ Influe n ce   of  th e  Cu(In , Ga)Se2  Thickn ess  and  Gr adi n g  on  Solar  Cel l   Perform anc e, "  P rogr ess i n  Phot o pholat ic s:   Re sea rch  and  Apb licat ion ,   Vol .   11 ,   No .   2,   p p. 77   –   88 ,   2 003.   [4]   A.  Nozik,   "N anosc ie nc e  and  Nanostruc tur es  for  Photovolt ai cs  and  Solar  Fuels.  Nano , "  Nano  L et t ers ,   V ol.  10 ,   No.  8,   pp.   2735 - 27 41 ,   2010 .   [5]   K.  Ebra h im,  "Q uant um   Dots  Solar  Ce ll s , "  InTe c h  Solar  Cel ls  N e w  Approache s  a nd  Re v ie ws ,   Vol .   31,   pp . 303 - 3 31  2015.   [6]   K.  Bhanda r i,   P .   Rola nd,   H.  Mah aba duge ,   N.   Hau gen,   C .   Gric e,   "Thin   Film   Solar   Cel ls  Based   on  t he  Het ero junctio n  of  Coll oid al  PbS   Quantum  Dots  with  CdS ,”   Solar  En ergy   Mate rials  &   Solar  Cel ls .   E l sev ie r ,   Vol.   11 7,     p p.   476 - 482 ,   20 13.   [7]   M.  El - Nah as s,  G.M .   Yous sef  and   Z. Soha il a ,   “ Struct ura l  and   Optical  Char acte ri zati on  of  CdTe  Qua ntum  Dots  Thin   Film s , "  Journal of  A ll oys  and   Co mpounds .   El se vier ,   Vol .   604 ,   p p . 253 - 259,   2014 .   [8]   P.  Singh,  N.  Ravi ndra ,   “ Te m per a ture   Depe nden ce  of  Solar  Cel l  Perform anc e  - an  a naly s is , "  Solar  Ene rgy  Mate rials   &   S olar Ce ll s.  E lsev i er ,   Vol .   10 1 ,   pp .   36 - 45 ,   201 2.     [9]   Y.  Li ao ,   S.  Yi kuo,   W .   T y ng ,   F.  Lai,   D.   Hs ie h ,   “ Obs erv ati on  of  Unus ual   Optic a l  Tr ansit i ons  in  Thi n - Fil m  Cu(In, Ga)Se2  S ola r  C el ls , ”   Opt i cs  Ex press ,   Vol.   20,   Iss ue  S6,   pp.   A836 - A84 2 ,   20 12.   [10]   N.  Ravi ndr a,   S.   Auluck,   and  V.  Srivasta va ,   "Te m per at ure   Dep e ndenc e  o f  the  En erg y   Gap  in   PbS ,   PbS e,   and   PbT e , "  Phy sica   Stat us S oli di ,   Vol.   5 2 ,   Is sue  2,   1979.   [11]   J.  Jim ene z ,   W .   Tomm ,   “ Spect roscopic   Ana l y s i s  o f  Optoelec t r onic   Sem ic ondu ct ors,”   Springer   s erie s  in   optic al  scie nc e ,   p p. 27 ,   2 016.     [12]   B.   K.  Ridl e y ,   "Q uant um   Proc esses  in  Sem ic onduct ors, ”   4th   Edi ti on .   Oxford  Sci ence  Publicat ions ,   Ch. 16 ,     Pp.418,   2013 .   [13]   M.A.  Manna n,   M.S.  Anjan  and   M.Z .   Kabir ,   “ Modeli ng  of  Curre nt – Volt age   C har acte rist ic s  of   Thi n  Film   S ola r   Cel ls, ”   Sol id - Sta te   El e ct roni cs.   E lsev i er ,   Vol .   6 3 ,  Iss ue  1,   p p .   49 – 5 4,   2011 .   [14]   R.   Das,  S.  Pande y ,   " Com par ison  of  Optic al   Properties  of  Bulk  and  Nano  Cr y stal l ine   Th in  Fil m s  of   CdS   Us in g   Diffe ren t   Prec ur sors , ”   Int ernati o nal  Journal   of   M ate rial   Scienc e , V ol.   1 ,   Iss ue  1 ,  p p.   35 - 40 ,   2011 .     [15]   M.  Sulta n  and  N.  Sulta na ,   " Anal y s is  of  Refl e ctanc e  and  Tra ns m it ta nc e  Charac te ristics  of  Opti ca l  Th in  Film   for  Vari ous Film Mat er ia ls,   Th ic kn e ss es  and  Subs trates , ”   J   Elec tr E l e ct ron Sy s ,   Vol.   4 ,   Iss ue  3 ,   2015 .     [16]   C.   Noguez ,   " O pti c al   Proper ti es   of  Isolated  an d  Supported  M et a l  Nanopa r ti c l es , ”   Opt ic al   M ate rials.  El se vi e r ,    Vol.   27 ,   Iss ue  7 ,   pp.   1204 - 12011 ,   2005.   [17]   T.   Sau ,   A .   Rog a ch,   "Com ple x   Shaped  Me tal  Na nopar ticle s:   Bott om ‐Up  Sy n the se s  and  Appl ic a ti o ns , "  Wiley - VCH   Ve rlag GmbH   &   Co.   KGaA , p p . 3 69,   2012 .     [18]   Y.  Yang,  X.  Sun ,   B. J .   Chen ,   T. C hen,   C . Sun  B. Tay ,   Z .   Sun,   "Refr ac t ive   Ind ices  of   Te x ture d   Indiu m   Ti n  Oxide   an d   Zi nc   Oxide   Thi n   Film s, ”   Thin   So li d  Fi lms .  El se vier ,   Vol .   510 ,   Iss ue  1 - 2 ,   pp.   95 - 1 01,   2006 .     [19]   R.   Shannona ,   O.  Mede nb ac hb ,   R .   Fis che r c,  "Refra ctive   Ind ex  and   Dis per sion  of  Fluor ides   and  Oxides , ”     Journal  of   Ph ysic al  and   Chemi ca l  R ef ere n ce Data ,   Vol .   31 ,   No.   4,   Pp.931 - 969,   200 2.   [20]   H.A.  Moham ed,  " The ore ti c al  Stud y   of   the  Eff ic i ency   of   CdS /PbS   Thi n  Film   Sol ar  Cells , "  Solar  Ene rgy.   E lse vie r ,   Vol.   10 8 ,  p p .   36 0 – 369,   2014 .   [21]     R.   Praka sh,  S.  Singh,  " Designing  and  m odel li ng  of  so la r  photovol ta i c  cell  and  arr a y , ”   IOSR  Jo urnal  of  El ec tri c al  and  Elec troni cs  Engi ne ering  ( IOSR - JEEE) ,   Vol .   6, Pp 35 - 40,   201 6 .   [22]   S.  P.  Mouri,   S.   N.  Sakib,  S.  Ho que  and  M .   S.  K ai ser,  "The or et i c al   ef ficien c y   and   ce l l  par amete rs  of  AlAs /GaAs/G e  base d  new  m ult i junc ti on  sol ar  c e ll , "   2016  3rd  Int ernati onal  Conf ere nce   on  Elec tr ic al  Eng ineering   and  Information  Comm unic ati on  Technol ogy   ( ICEE ICT) ,   Dh aka ,   pp.   1 - 6 ,   2016 .   [23]   F.  Micheal ,   "Ra dia ti v e  He at T r a nsfer , "   3rd e d it i on.   E lsevie r ,   p p.   77,   2013 .     [24]   B.   Y anc huk ,   " Las er  Cleaning: Op ti c al   Ph y sics , "  A ppli ed   Phy si cs  a nd  Mate ria ls Sc i enc e ,   pp . 136,   20 02.     [25]   G.  Handbush,  " Mo Mol y bd enu m :  Ph y sic al   Pro per ties ,"   Part   2.   El e ct roche mistr y  8th   ed it ion .  S p ringer,   pp . 62,   20 13.   [26]   M.  As aduz za m a n,   M.  Hasan  a nd  A.  Newaz ,   "A n  Inve stiga tion  int o  Th e  Ef fec ts  of  Band  Gap  and  Dopin g   Conce ntr at ion   o n  Cu(In, Ga)Se2   Solar  Ce ll   Eff i cienc y , "  Springer  Pl us ,   Vol .   5 ,   No .   1 ,   pp.   1 - 8,   2016 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.