[ Influence du gap optique et de l’affinité électronique du ZnSe sur les performances des cellules solaires CIGS ]
Youssou Gning1, Alioune Ngom2, Moussa Toure3, Mouhamadou Sam4, Emmanuel Namena5, and Mamadou Lamine Samb6
1 Département de Physique et Chimie, Université de Thiès, Senegal
2 Département de Physique et Chimie, Université de Thiès, Senegal
3 Département de Physique et Chimie, Université de Thiès, Senegal
4 Département de Physique et Chimie, Université de Thiès, Senegal
5 Institut de Recherche en Sciences Appliquées et Technologies (IRSAT), Centre National de la Recherche Scientifique et Technologique (CNRST) 03 BP 7047 Ouagadougou 03, Ouagadougou, Burkina Faso
6 Département de Physique et Chimie, Université de Thiès, Senegal
Original language: French
Copyright © 2026 ISSR Journals. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
This study focuses on optimizing the influence of a zinc selenide (ZnSe) buffer layer on the performance of a CIGS thin-film solar cell, with the aim of proposing an alternative to CdS, a commonly used material that contains toxic cadmium. The choice of ZnSe is motivated by its advantageous optoelectronic properties, including a direct optical band gap of about 2.7 eV, high transparency in the visible and near-infrared ranges, an absorption coefficient on the order of 104 cm⁻1, and an electron affinity close to 4.1 eV. In addition, ZnSe can crystallize in zinc-blende or wurtzite phases, with possible structural transitions that may promote a type-II band alignment suitable for the ZnSe/CIGS interface. The main objective of this work is to analyze the effect of the optical band gap and the electron affinity of ZnSe on the key photovoltaic parameters of the cell, namely the short-circuit current density, the open-circuit voltage, the fill factor, and the conversion efficiency. The study is carried out through numerical simulation by solving the fundamental carrier transport equations. The results show that the optical band gap of ZnSe has a limited impact on the overall performance, with an optimal efficiency of about 23.16% for values between 2.3 and 2.6 eV. In contrast, the electron affinity appears to be a critical parameter: a range between 4.0 and 4.6 eV promotes optimal band alignment and enables good photovoltaic performance, with efficiencies ranging from 19.38% to 24.93%. These findings confirm the potential of ZnSe as an alternative cadmium-free buffer layer to CdS, opening promising prospects for the development of more environmentally and health-friendly CIGS solar cells.
Author Keywords: CIGS solar cells, Cadmium-free buffer layer, Band alignment, Numerical simulation, Photovoltaic performance, II–VI materials.
Youssou Gning1, Alioune Ngom2, Moussa Toure3, Mouhamadou Sam4, Emmanuel Namena5, and Mamadou Lamine Samb6
1 Département de Physique et Chimie, Université de Thiès, Senegal
2 Département de Physique et Chimie, Université de Thiès, Senegal
3 Département de Physique et Chimie, Université de Thiès, Senegal
4 Département de Physique et Chimie, Université de Thiès, Senegal
5 Institut de Recherche en Sciences Appliquées et Technologies (IRSAT), Centre National de la Recherche Scientifique et Technologique (CNRST) 03 BP 7047 Ouagadougou 03, Ouagadougou, Burkina Faso
6 Département de Physique et Chimie, Université de Thiès, Senegal
Original language: French
Copyright © 2026 ISSR Journals. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract
This study focuses on optimizing the influence of a zinc selenide (ZnSe) buffer layer on the performance of a CIGS thin-film solar cell, with the aim of proposing an alternative to CdS, a commonly used material that contains toxic cadmium. The choice of ZnSe is motivated by its advantageous optoelectronic properties, including a direct optical band gap of about 2.7 eV, high transparency in the visible and near-infrared ranges, an absorption coefficient on the order of 104 cm⁻1, and an electron affinity close to 4.1 eV. In addition, ZnSe can crystallize in zinc-blende or wurtzite phases, with possible structural transitions that may promote a type-II band alignment suitable for the ZnSe/CIGS interface. The main objective of this work is to analyze the effect of the optical band gap and the electron affinity of ZnSe on the key photovoltaic parameters of the cell, namely the short-circuit current density, the open-circuit voltage, the fill factor, and the conversion efficiency. The study is carried out through numerical simulation by solving the fundamental carrier transport equations. The results show that the optical band gap of ZnSe has a limited impact on the overall performance, with an optimal efficiency of about 23.16% for values between 2.3 and 2.6 eV. In contrast, the electron affinity appears to be a critical parameter: a range between 4.0 and 4.6 eV promotes optimal band alignment and enables good photovoltaic performance, with efficiencies ranging from 19.38% to 24.93%. These findings confirm the potential of ZnSe as an alternative cadmium-free buffer layer to CdS, opening promising prospects for the development of more environmentally and health-friendly CIGS solar cells.
Author Keywords: CIGS solar cells, Cadmium-free buffer layer, Band alignment, Numerical simulation, Photovoltaic performance, II–VI materials.
Abstract: (french)
Cette étude porte sur l’optimisation de l’influence d’une couche tampon en séléniure de zinc (ZnSe) sur les performances d’une cellule solaire à couches minces CIGS, dans le but de proposer une alternative au CdS, matériau couramment utilisé mais contenant du cadmium toxique. Le choix du ZnSe est motivé par ses propriétés optoélectroniques avantageuses, notamment un gap optique direct d’environ 2,7 eV, une forte transparence dans le domaine du visible et du proche infrarouge, un coefficient d’absorption de l’ordre de 104 cm⁻1 et une affinité électronique voisine de 4,1 eV. Par ailleurs, le ZnSe peut cristalliser sous les phases zinc-blende ou wurtzite, avec des transitions structurales susceptibles de favoriser un alignement de bandes de type II approprié à l’interface ZnSe/CIGS. L’objectif principal de ce travail est d’analyser l’effet du gap optique et de l’affinité électronique du ZnSe sur les paramètres photovoltaïques clés de la cellule, à savoir la densité de courant de court-circuit, la tension de circuit ouvert, le facteur de forme et le rendement de conversion. L’étude est menée par simulation numérique en résolvant les équations fondamentales du transport des porteurs. Les résultats obtenus montrent que le gap optique du ZnSe influence faiblement les performances globales, avec un rendement optimal d’environ 23,16 % pour des valeurs comprises entre 2,3 et 2,6 eV. En revanche, l’affinité électronique apparaît comme un paramètre déterminant: une plage comprise entre 4,0 et 4,6 eV favorise un alignement optimal des bandes et permet d’atteindre de bonnes performances photovoltaïques, avec des rendements compris entre 19,38 % et 24,93 %. Ces résultats confirment le potentiel du ZnSe comme couche tampon alternative au CdS, ouvrant des perspectives intéressantes pour le développement de cellules CIGS plus respectueuses de l’environnement et de la santé humaine.
Author Keywords: Cellules solaires CIGS, Couche tampon sans cadmium, Alignement de bandes, Simulation numérique, Performances photovoltaïques, Matériaux II–VI.
