بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی اثر نانوگوههای نقره بر جذب نوری در سلولهای خورشیدی پلاسمونیکی فوق نازک
کلمات کلیدی چکیده
سلول خورشیدی، در این کار ارتقاء جذب نوری سلولهای خورشیدی فوق نازک سیلیکونی، با حضور نانوگوههای نقره، در قطبشهای TE
فوتوولتائیک، و TM و در بازه طول موجی 400 تا 800 نانومتر به روش المان متناهی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان میدهد که
پلاسمونیک، در قطبش TM، دو سازوکار برانگیختگی مود پلاسمون سطحی جایگزیده و مود موجبری در ارتقاء جذب نقش دارنـد.
پلاسمون سطحی جایگزیده مودهای پلاسمونیکی به دلیل برانگیختگی در بازه طیفی گستردهتر، تاثیر بیشتری بر ارتقـاء جـذب نـوری دارنـد. در
قطبش TE، تنها سازوکار ارتقاء جذب نوری، برانگیختگی مود موجبری لایه نازک میباشد.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر، بهرهگیری از خواص نوری نانوذرات فلزی در زمینههای مختلفی نظیر پزشکی [2 , 1]، ساخت سنسورها [5-3]، ارتباطات [8-6] و غیره گسترش قابل توجهای یافته است. یکی از شاخصترین کاربردهای نانوذرات فلزی، افزایش جذب نوری سلول-های فوتوولتائیک میباشد. ساختارهای متفاوتی نظیر نانودیسک [11-9]، نانوکره [13 ,12]، نانومکعب [15 , 14]، نانومیله,16] [17، نانونوار [20-18] و غیره جهت افزایش جذب در سلولها به کار رفته است. در این میان، نانونوارها در سالهای اخیر، به دلیل سطح مقطع پراکندگی مناسب، مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته اند. نانونوارها در حالت کلی با سه سازوکار اصلی، شامل برانگیختگی پلاسمون سطحی جایگزیده (شکل ((a)1، برانگیختگی مود موجبری (شکل ((b)1 و پراکندگی موثر نوری (شکل ((c)1 قادر به افزایش چگالی میدان درون لایه جاذب و در نتیجه بهبود جذب نوری سلولها میگردند.
شکل .1 تصویر نمادینی از سازوکارهای بهبود جذب نور در سلولهای فوتوولتائیک توسط نانونوارهای فلزی (a) برانگیختگی پلاسمون سطحی جایگزیده (b) برانگیختگی مودهای موجبری لایه نازک (c) افزایش طول راه موثر نوری در اثر پراکندگی موثر از نانونوارها
نانو نوارهای فلزی غالباً به دوشکل در ساختار سلولهای خورشیدی فوق نازک قرار میگیرند. در حالت اول، نانونوارها با قرار گیری روی الکترود پشت، باعث پراکندگی نور عبوری از لایه جاذب شده و امکان جذب بیشتر پرتوی فرودی را فراهم میکنند. در طراحی دوم، نانونوارها بالای سلول قرار گرفته و با پراکندگی نور امکان جفت شدگی با مود موجبری و یا برانگیختگی مودهای پلاسمونیکی را فراهم میکنند. در کلیه پژوهشهای گذشته در این حوزه، نانونوارهای با سطح مقطع مستطیل مورد بررسی قرار میگرفتند .[23-20] در پژوهشهای پیشین، ما برای اولین بار تاثیر سطح مقطع نانونوارهای نقره بر میزان جذب نوری سلولهای فوتوولتائیک را بررسی کردیم [24] و در پژوهش حاضر به تفصیل به بررسی اثرات نوری حضور نانونوارهایی از جنس نقره با سطح مقطع مثلثی (نانوگوه) در بالای سلول فوتوولتائیک سیلیکونی فوق نازک، بر جذب نوری سلول در دو قطبش TM و TE و در بازه طیفی 400 تا 800 نانومتر خواهیم پرداخت. همچنین اثر دوره تناوب نانونوارها نیز بررسی می شود تا بهترین تناوب برای بازده بیشتر به دست آید.
-2 مبانی نظری
ابتدا با حل معادلات ماکسول توزیع میدان مغناطیسی درون سلول بدست میآید
که در آن پذیرفتاری مغناطیسی، n ضریب شکست محـیط و عدد موج در خلا میباشد. پس از حـل معادلـه (1) در دو بعـد و بـا روش المان متناهی، با استفاده از معالات ماکسول میدان الکتریکـی نیز بدست میآید. سپس از دیورژانس بردار پوئینتینـگ، رابطـه (2)، برای محاسبه جذب نوری در لایههای مختلف سلول اسـتفاده مـی-شود.
که در آن ω فرکانس زاویهای نور فـرودی و ε گـذردهی مـاده مـی-باشد. برای نشان دادن بهتر میـزان بهبـود در جـذب نـوری سـلول، کمیتی به نام ارتقاء جذب نوری بـه شـکل نسـبت جـذب نـوری در سلول با نانوگوه، به جذب نوری در سلولهای بـدون نـانوگوه تعریـف میشود.شکل 2 تصویر نمادینی از سـلول خورشـیدی بـا ضـخامت لایه جاذب 50 نانومتر از جنس Si و لایه پادبازتابنـده 10 نـانومتری از جنس SiO2 که روی آن قرار دارد را نشان میدهـد. در ایـن کـار ضخامت الکترود پشت 200 نانومتر در نظر گرفته شده است. ارتفـاع و قاعده سطح مقطع نانوگوه به ترتیب 60 نانومتر و 80 نانومتر مـی-باشند.
شکل .2 تصویر نمادینی از سلول خورشیدی با نانوگوه از جنس نقره
شرایط مرزی به کار رفته برای مرزهای بالا و پایین در مسئله، به منظور جلوگیری از ایجاد بازتابهای غیرواقعی از مرزها، شرط مرزی لایه انطباق کامل(PML)1 میباشد. با توجه به متناوب بودن ساختار، و با هدف کاهش توان محاسباتی مورد نیاز، از کل مجموعه سلول واحدی از ساختار در نظر گرفته شد و با انتخاب شرط مرزی
تناوبی (PBC) برای مرزهای طرفین، اثر حضور سلولهای مجاور میدهد. نیز اعمال شد.
-3 نتایج
شکل 3 نمودار ارتقاء جذب در سلولهایی با تناوب 400 نانومتر را بر حسب طولموج برای دو قطبش TE (خط چین آبی رنگ) و TM (خط قرمز رنگ) نشان میدهد.
شکل .3 نمودار ارتقاء جذب در سلولهایی با تناوب 400 نانومتر بر حسب طول- موج برای دو قطبش TE و TM
برای قطبش TE نمودار جذب یک قله قابل توجه در طول موج 573 نانومتر دارد که متناظر با برانگیختگی مود موجبری لایه نازک سیلیکون میباشد (شکل 4 (ج)).
برای قطبش TM، جذب نوری درون لایه جاذب، در دو طول موج 583 و 665 نانومتر به طور قابل توجهی افزایش مییابد که به ترتیب در اثر برانگیختگی مود موجبری لایه نازک (شکل )4ب)) و برانگیختگی مود پلاسمون سطحی جایگزیده در اطراف نانوگوه نقره (شکل 4 (آ)) میباشند.
شکل .4 توزیع میدان مغناطیسی نور در لایههای متفاوت سلول فوتوولتائیک با تناوب 400 نانومتر (آ) برانگیختگی پلاسمون سطحی جایگزیده در طولموج 665 نانومتر و قطبش TM (ب) برانگیختگی مود موجبری لایه نازک در طول-موج 583 نانومتر و قطبش TM (ج) برانگیختگی مود موجبری لایه نازک سیلیکون در طول موج 573 نانومتر و قطبش TE
شکل 5 نمودار ارتقاء جذب مربوط به قطبش TM را بر حسب طول موج، برای سلولهایی با تناوب200 (خطـنقطه آبی رنگ) ، 300 (خط چین قرمز رنگ)و 400 (خط سبز رنگ) نانومتر نشان می دهد .
