بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، مفهوم سلول خورشیدي مبتنی بر نقطه کوانتومی بعنوان یک طرح براي افزایش بازده سلولهاي خورشیدي بیان شده است. یک مدل نظري براي سلول خورشیدي مبتنی بر نقطه کوانتومی براساس سیستم InAs/GaAs ارائه شده است و سپس مزایاي استفاده از نقطه کوانتومی در ناحیه فعال براي جذب فوتون و یا بعبارتی بازده سلول خورشیدي، مطالعه شده است. نتایج نشان دادند که به ازاي یک مقدار حجم نقطه کوانتومی بازده سلول بیشینه است و با افزایش حجم نقطه و تغییر گاف نواري، مقدار بازده افت پیدا میکند.
-1 مقدمه
طرح هاي نسبتاً زیادي براي افزایش بازده قطعات فوتوولتاییک پیشنهاد شده است. با استفاده از دو اتصال p_n یا بیشتر از آن، سلولهاي پشتهاي ساخته شده از نیمرساناهاي مختلف سازگاري بهتري با طیف خورشیدي نسبت به سلول تک اتصالی دارند و ممکن است بازده بالاتر از 50 درصد را نیز فراهم بکند.[1] بادر نظر گرفتن پیشرفتهاي اخیر در قطعات اپتوالکترونیکی، بویژه در لیزرهاي نیمرسانا[2]، مطرح کردن اینکه ساختار p_i_n ابعاد پایین - مثل نقطه کوانتومی - میتواند رویکرد جدیدي را در حل مشکل بازده بالاي سلول خورشیدي فراهم کند، مناسب بنظر میرسد. سلول خورشیدي p_i_n مبتنی بر چاه کوانتومی اولین ساختار ابعاد پایین بود که توسط بر-هام و دوگان[3]1 بعنوان جایگزینی براي روشهاي معمول با بازده بالا پیشنهاد شد. کاربرد مناسب سیستمهاي چاه کوانتومی چندگانه در توسعه سلولهاي خورشیدي میتواند به طور بالقوه بازده آنها را افزایش دهد. سلولهاي خورشیدي مبتنی بر چاههاي کوانتومی بطور مفصل بررسی شدهاند ولی سلولهاي مبتنی بر نقاط کوانتومی با جزئیات مطالعه نشدهاند. در این مقاله، نقش نقطه کوانتومی در سلول خورشیدي مطالعه شده و هدف بررسی تأثیر حجم نقاط کوانتومی بر روي عملکرد سلول خورشیدي از جمله بازده و ولتاژ مدار باز میباشد.
-2 تئوري و روشهاي محاسباتی
مدل پیشنهاد شده براساس ساختار سلول p_i_n است - شکل -1الف - که نمودار نوار انرژي آن در شکل -1 - ب - نشان داده شده است که در آن لایه نوع p+ در فاصله ، ناحیه ذاتی شامل لایههاي چندگانه نقاط کوانتومی در فاصله و لایه نوع n در فاصله واقع هستند. لایههاي چندگانه نقاطکوانتومی در ناحیه ذاتی ساختار سلول، جریان فوتونی را افزایش خواهد داد. گاف نواري مؤثر براي جذب - Eeff - توسط پایین-ترین حالات محبوس شده نقاط کوانتومی تعیین خواهد شد. توجه داشته باشید سیستم InAs/GaAs میتواند گسترهاي از گاف هاي نواري را که از اهمیت خاصی براي سلولهاي خورشیدي داراست، پوشش دهد. بازده کوانتومی داخلی براي مجموعهاي از حاملین بار تحریک شده نوري در نقطه کوانتومی میتواند بعنوان مثال با استفاده از پدیده تونل زنی تشدیدي افزایش_ داده شود. آرایهاي از نقاط کوانتومی با چگالی بالا میتواند با استفاده از تکنیک معروف پشته-سازي در مد رشد استرانسکی کراستانوف2 ساخته شود4]معمولاً.[ میدانهاي تنشی لایه پایینتر نقاط کوانتومی که به درون ماده سدي نفوذ یافتهاند، سبب آرایش عمودي نقاط کوانتومی میشوند. بنابراین بازدهي کوانتومی داخلی بالا براي مجموعهاي از حاملین تحریک شده نوري در نقاط کوانتومی میتواند بعنوان نتیجهاي از کاناله کردن الکترونها و حفرهها از طریق جفت-شدگی بین نقاط کوانتومی آرایش یافته، اتفاق بیفتد. این اثر به جداسازي و تزریق الکترونها و حفرههاي تولید شده در نقاط کوانتومی درون نواحی p و n مجاور با بازدهي بالا اجازه میدهد. با تغییر مد لایهنشانی - ضخامت لایه میانی و تعداد تکرار لایه-هاي جزیرهاي - میتوان اندازه و شکل جزایر InAs را و بنابراین ترازهاي انرژي را براي کنترل طیف جذبی نور کوانتیده کرد. نوعاً اندازه نقطه حدود 10 نانومتر و چگالی ناحیه در بازه 2×1010 m -2 و 2×1011 است. لایههاي نقاط کوانتومی با لایههاي سدي به اندازه 5 الی 10 نانومتر جدا شدهاند. در نتیجه تعداد دورههاي لایههاي چندگانه InAs/GaAs میتواند بیشتر از 100 و از اینرو چگالی واقعی نقاط در ناحیه فعال i حدود1023 m-3 باشد.
شکل .1 - الف - ساختار شماتیکی سلول خورشیدي مبتنی بر نقطه کوانتومی، - ب - نمودار نوار_انرژي سلول خورشیدي مبتنی بر نقطه کوانتومی.
سه پارامتر مهم که نشاندهنده عملکرد سلول خورشیدي میباشند، عبارتند از: چگالی جریان مدار کوتاه، ولتاژ مدار باز و بازده که به ترتیب با استفاده از روابط زیر محاسبه میشوند:[6] که در آن عامل ترابرد است که احتمال متوسط حفره یا الکترون عبوري در منطقه i بدون به دام افتادن و بازترکیب را نشانمی دهد. نشان دهنده چگالی جریان نوري جمع آوري شده توسط منطقه نوع p، چگالی جریان نوري جمع آوري شده توسط منطقه نوع n، چگالی جریان نوري جمع آوري شده از ناحیه i - که شامل نقاط کوانتومی هست - و JSC چگالی جریان مدار کوتاه سلول خورشیدي مبتنی بر نقطه کوانتومی میباشد. که در آن K ثابت بولتزمن، T دماي اتاق به کلوین، q بار الکترون، j0 جریان اشباع معکوس اتصال و VOC ولتاژ مدار باز می-باشد.
که در آن topt طول عمر تولید اپتیکی و P0 شار فرودي خورشیدي میباشد
-3 نتایج محاسبات
در این بخش نتایج محاسبات عددي مربوط به سلول خورشیدي مبتنی بر نقطه کوانتومی InAs/GaAs نشان داده شده است.مقدار پارامترهاي استفاده شده در این محاسبات در جدول 1 نشان داده شدهاند. جدول.1 مقادیر پارامترهاي استفاده شده در محاسبات
تأثیر حجم نقاط کوانتومی بر روي عملکرد سلولهاي خورشیدي در شکل 2 نشان داده شده است. از شکل -2 - الف - آشکار می-شود که در حالت VD=0 - بدون حضور نقاط کوانتومی - بازده سلول خورشیدي کمتر است و با حضور نقاط کوانتومی، در یک حجم معین، بازده افزایش مییابد و سپس با افزایش حجم نقاط کوانتومی چون ترازهاي انرژي رفته رفته از حالت گسسته به حالت پیوسته تبدیل میشوند، بازده و ولتاژ مدار باز کاهش مییابند.
شکل -2 - الف - نمودار بازده سلول خورشیدي و - ب - نمودار ولتاژ مدار باز برحسب حجم نقطه کوانتومی.
.4 نتیجه گیري
در این مقاله، تأثیر حجم نقطه کوانتومی بر روي عملکرد سلول خورشیدي مطالعه شده است. نتایج نشان دادند که با حضور نقاط کوانتومی در سلول خورشیدي میزان بازده سلول افزایش مییابد. با افزایش حجم نقاط کوانتومی، چون گاف نواري نقاط کوانتومی کاهش مییابد، میزان بازده و ولتاژ مدار باز سلول نیز کاهش مییابد.
