Моделювання фотодіодної структури на основі гетеропереходу ZnO/Si
Анотація
У роботі чисельно досліджено та проаналізовано за допомогою програмного забезпечення Solar Cell Capacitance Simulator in One-Dimension (SCAPS-1D) фотодетектор з власним живленням, який використовує об'ємний n–p-гетероперехід n-ZnO/p-Si. SCAPS-1D — це числова платформа для аналізу та оптимізації тонкоплівкових фотоелектричних гомо- та гетероперехідних структур за допомогою самоузгодженого розв'язання рівняння Пуассона та рівнянь неперервності носіїв заряду, що дозволяє проводити детальний аналіз багатошарових гетеропереходів, дозволяючи змінювати товщину шару, концентрацію легування, щільність дефектів та ширину забороненої зони. Програмне забезпечення побудовано на числовому розв'язанні фундаментальних напівпровідникових рівнянь, а саме рівняння Пуассона та рівнянь неперервності носіїв заряду, що забезпечує точне обчислення J–V характеристик та квантової ефективності.
Досліджено енергетичні зони, залежність густини струму від напруги (J–V), спектральні характеристики фоточутливості та детектуючу здатність в ультрафіолетовому діапазоні. Використовувалися різні параметри для опису електронного транспорту у плівці ZnO. Оптимізацією підібрано товщину шарів ZnO та Si, які були визначені на рівні 100 та 700 нм відповідно. Концентрація неглибокого донора шару ZnO змінювалась у межах
від 1014 до 1018 см−3. Моделювання засвідчило, що фотодетектор на основі гетеропереходу з оптимальними параметрами характеризується значним фотовідгуком при опромінюванні ультрафіолетом із довжиною хвилі 300 нм. В умовах освітлення оптимальний струм короткого замикання досягає 13,9 мА/см², а напруга холостого ходу — близько 0,725 В. Для ZnO як матеріалу електронного транспорту (ЕTM) отримано такі найкращі результати: загальна ефективність η ≈ 7,71%, коефіцієнт заповнення FF ≈ 63,18%, струм короткого замикання JSC ≈ 13,9 мА/см², напруга холостого ходу VOC ≈ 0,725 В. Чутливість та детектувальна здатність змодельованого фотодетектора становлять R = 0,23 А/Вт і D* = 1,1·1010 Джонс. Для покращення продуктивності фотодетекторів було досліджено вплив товщини шарів, концентрації неглибоких донорів та густини дефектів. Отримані результати моделювання свідчать про перспективність подальших досліджень у галузі оптоелектронних пристроїв на основі ZnO.
Посилання
Ma T., Xue N., Muhammad A. et al. Recent Progress in Photodetectors: From Materials to Structures and Applications. Micromachines, 2024, 15(10), 1249 pp. 1-28 https://doi.org/10.3390/mi15101249
Qin J., Yan Z., Huo M. Design of low-noise photodetector with a bandwidth of 130 MHz based on transimpedance amplification circuit. Chinese Optics Letters, 2016, vol. 14, Iss. 12, 122701 pp. 1-5. https://doi.org/10.3788/COL201614.122701
Vaishnavi S., Seetharaman G. Computational modelling and photovoltaic performance evaluation of various ETL/HTL engineered MASnI3 planar perovskite solar cell architectures using SCAPS-1D . Energy Conversion and Management, 2025, vol. 332, 15 May 119747 p. 1-22. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2025.119747
Sharma D.K., Shukla S., Sharma K.K., Kumar V. A review on ZnO: Fundamental properties and applications. MaterialsToday Proseedings, 2022, vol. 49, Part 8, pp.3028-3035. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.10.238
Toma F.T. Z., Rahman M. S., Maria K.H. A review of recent advances in ZnO nanostructured thin films by various deposition techniques. Discover Materials, 2025, vol. 5, art. num.60, pp.1-31. https://doi.org/10.1007/s43939-025-00201-1
Hussain B., Aslam A., Khan T.M. et al. Electron Affinity and Bandgap Optimization of Zinc Oxide for Improved Performance of ZnO/Si Heterojunction Solar Cell Using PC1D. Simulations Electronics, 2019, vol. 8(2), 238 pp.1-8. https://doi.org/10.3390/electronics8020238
Chen L., Chen X., Liu Y. Research on ZnO/Si heterojunction solar cells. Journal of Semiconductors, 2017 vol. 38, nor 5, pp. 1-11. 38 054005 https://doi.org/10.1088/1674-4926/38/5/054005
Helal H., Arbia M. B., Pakdel H. et al. Enhanced NO2 Detection in ZnO-Based FET Sensor: Charge Carrier Confinement in a Quantum Well for Superior Sensitivity and Selectivity. Chemosensors, 2025, 13(10), 358 pp. 1-22. https://doi.org/10.3390/chemosensors13100358
Szymon R., Zielony E., Lysak A., Pietrzyk M.A. Influence of the type of interlayer on current transport mechanisms and defects in n-ZnO/ZnCdO/p-Si and n-ZnCdO/ZnO/p-Si heterojunctions grown by molecular beam epitaxy. Journal of Alloys and Compounds, 2023, vol. 951, 169859. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169859
Salih M. A., Mustafa M. A., Yousef B.A.A. Developing Lead-Free Perovskite-Based Solar Cells with Planar Structure in Confined Mode Arrangement Using SCAPS-1D. Sustainability, 2023, vol. 15, no. 2, article 1607, pp.1-18. https://doi.org/10.3390/su15021607.
Yao H. , Liu L. Design and Optimize the Performance of Self-Powered Photodetector Based on PbS/TiS3 Heterostructure by SCAPS-1D. Nanomaterials, 2022, 12, article 325. p.1-11. https://doi.org/10.3390/nano12030325
EnSebe G.C., Ukoba K. and Jen T.-C. Numerical modeling of effect of annealing on nanostructured CuO/TiO2 pn heterojunction solar cells using SCAP. AIMS Energy, 2019, vol. 7, no.4, pp. 527–538. https://doi.org/10.3934/energy.2019.4.527
Goje A.A., Ludin N.A., Teridi M.A.M. et al. Design and Simulation of Lead-free Flexible Perovskite Solar cell Using SCAPS-1D. International Conference on Sustainable, Renewable & Energy Efficiency. 2022 IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2023, 1278, article 012004. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1278/1/012004
Meyer E.L., Jakalase S., Nqombolo A. et al. The Numerical Simulation of a Non-Fullerene Thin-Film Organic Solar Cell with Cu2FeSnS4 (CFTS) Kesterite as a Hole Transport Layer Using SCAPS-1D. Coatings, 2025, 15, no.3, 266, pp. 1 -21. https://doi.org/10.3390/coatings15030266
Krishnan A., Subash T.D. Simulation of NiOx Based Solar Cells Using SCAPS Software. NanoWorld Journal, 2023, vol. 9, no.S5, S143-S148. https://doi.org/10.17756/nwj.2023-s5-028
Rana A.D., Pharne I.D., Bhargava K. Numerical simulation of highly efficient double perovskite solar cell using SCAPS-1D. MaterialsToday Proseedings, 2023, vol.73, Part 4, pp. 584-589. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.11.110
Mustafa G.M., Younas B., Falk M., et al. Modeling and numerical analysis of FTO/TiO2/Cs2BiAgI6/CBTS/Au solar cells for enhanced photovoltaic performance. Inorganic Chemistry Communications, 2025, vol. 175, no.5, 114146 pp. 1- 13. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2025.114146
Chowdhury T.A. SCAPS modeling and performance analysis of AZO/SnS2/CZTS solar cells. Optics Continuum, 2024, vol. 3, No. 8 / 15, pp. 1341-1368. https://doi.org/10.1364/OPTCON.527415
Javed A., Nasir M.F., Azam S., Amin M.A. Numerical simulation for a suitable electron transport layer of a lead-free CuInSe2 based perovskite solar cell and PV module International. Journal of Electrochemical Science, 2025, vol. 20, Iss.1, 100893 pp1-13. https://doi.org/10.1016/j.ijoes.2024.100893
Hidouri T., Rabhi S., Bencherif H., Fornari R. Design of CsSnBr3/Ga2O3 Hybrid Photodetectors for High UV Selectivity and Bifacial Usage. Adv. Theory Simul., 2025, vol. 8, e01163 pp.1 – 11. https://doi.org/10.1002/adts.202501163
Kanmaz İ. Simulati on of CdS/p-Si/p+-Si and ZnO/CdS/p-Si/p+-Si heterojunction solar cells. Results in Optics,Vol. 10, 2023, 100353 pp .1-9. https://doi.org/10.1016/j.rio.2023.100353
Houimi A., Yiğit Gezgin S., Gündoğdu Y., Kiliç H.Ş. I-V Characteristics Calculation Using SCAPS-1D. Selcuk University. Journal of Social and Technical Researches, 2021, vol.19, p. 1-6.
Chu Dr. X., Liu S., Luan B.-B. et al. Crystal-Facet-Controlled Internal Electric Field in MOF/COF Heterojunction Towards Efficient Photocatalytic Overall Water Splitting. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202422940 p.1-9. https://doi.org/10.1002/anie.202422940
Malpure N.N., Patil S.R., Sali J.V. et al. Influence of Multilayer Architecture on the Structural, Optical, and Photoluminescence Properties of ZnO Thin Films. Photonics, 2025, 12(12), 1219 p. 1-17. https://doi.org/10.3390/photonics12121219
Obikoya G.D., Soman A., Das U. K., Hegedus S.S. Investigation into fill factor and open-circuit voltage degradations in silicon heterojunction solar cells under accelerated life testing at elevated temperatures. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2023, vol. 263, 112586 pp.1-28. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2023.112586
Chen L., Chen X., Liu Y. et al. Research on ZnO/Si heterojunction solar cells. Journal of Semiconductors, 2017, Vol. 38, no. 5, article 054005 pp. 1-11.https://doi.org/10.1088/1674-4926/38/5/054005.
Fahad O.A., Al Rawi B.K., Ramizy A., Salih E.Y. High-performance ZnO/CdTe/Ge/Si heterojunction photodetector for short/mid-wavelength detection. Sensors and Actuators A. Physical, 2025, vol. 383, article 116198, pp.1-8. https://doi.org/10.1016/j.sna.2025.116198
Pogrebnyak A.D., Jamil N. Y. Muhammed A.K.M. Simulation Study of n-ZnO/p-Si Heterojunction Solar Cell . Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies, 2011, vol. 9, no 4, pp. 819—830.
Helal H., Arbia M.B., Pakdel H. et al. Enhanced NO2 Detection in ZnO-Based FET Sensor: Charge Carrier Confinement in a Quantum Well for Superior Sensitivity and Selectivity. Chemosensors, 2025, 13(10), 358 pp.1-22. https://doi.org/10.3390/chemosensors13100358
Meyer E.L., Jakalase S., Nqombolo A. et al. The Numerical Simulation of a Non-Fullerene Thin-Film Organic Solar Cell with Cu2FeSnS4 (CFTS) Kesterite as a Hole Transport Layer Using SCAPS-1D. Coatings, 2025, 15(3), 266 pp.1-21. https://doi.org/10.3390/coatings15030266
Hooge F.N. On the additivity of generation–recombination spectra. Part 1: Conduction band with two centres. Physica B: Condensed Matter, 2002, vol. 311, Iss. 3–4, pp. 238-249. https://doi.org/10.1016/S0921-4526(01)01027-4
Hooge F.N. On the additivity of generations-recombination spectra part 2 : 1/f noise. Physica B: Condensed Matter, 2003, vol. 336, Iss. 3–4, pp. 236-251. https://doi.org/10.1016/S0921-4526(03)00164-9
Vandamme L.K.J., Hooge F.N. On the additivity of generation-recombination spectra Part 3: The McWhorter model for 1/f noise in MOSFETs. Physica B: Condensed Matter, 2005, vol. 357, Iss. 3–4, pp 507-524 https://doi.org/10.1016/j.physb.2004.09.106
Kim D., Lee J.-W., Lim J. et al. Highly stable two-level current fluctuation in complex oxide heterostructures. Nature Communications, 2025, vol. 16, no. 1, article 16:5459, pp.1-10.https://doi.org/10.1038/s41467-025-60672-x
Vitusevich S.A., Danylyuk S.V., Kurakinet A. M. et al. Origin of noise in heterostructures in the range of 10-100 MHz. J. Appl. Phys., 2006, vol. 99 article, 073706, pp. 1-6. https://doi.org/10.1063/1.2188048
Pilotto A., Dollfus P., Saint-Martin J., Pala M. Full quantum simulation of Shockley–Read–Hall recombination in p-i-n and tunnel diodes. Solid-State Electronics, 2022, 198, 108469 p. 1-4. https://doi.org/10.1016/j.sse.2022.108469
Wang F., Zhang T., Xie R. et al. How to characterize figures of merit of two-dimensional photodetectors. Nature Communications, 2023, 14:2224, pp. 1-9. https://doi.org/10.1038/s41467-023-37635-1
Sratongkham P., Chuenchom R., Tuantranont A. et al. Non-monotonic evolution of the responses of ZnO-nanoparticle UV-sensitive devices under ambient aging. Materials Today Communications, 2023, vol. 36, 106925, pp.1-14. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.106925
Авторське право (c) 2026 Ігор Вірт, Іван Падалка
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
