بخشی از مقاله

ما در این مقاله به بررسی اثر بازپخت بر بازدهی کوانتومی داخلی یک سلول خورشیدي با نیمرساناي نیتروژندار رقیق با ساختار n+ GaAs/p GaInNAs که به روش MOCVD رشد داده شده است پرداخته ایم. داده هاي تجربی حاکی از آن است که عمل بازپخت به افزایش بازده کوانتومی قطعه می انجامد. در اینجا ما به طور کمی مهمترین پارامترهاي وابسته شامل پهناي ناحیه تهی و طول پخش حاملهاي اقلیت را مورد مطالعه قرار داده ایم. در این مدلسازي تاثیر وابستگی ضریب جذب این ماده یعنی GaInNAs نیز در نظر گرفته شده است. محاسبات ما نشانگر آن است که افزایش پهناي ناحیه تهی - حدود 0/1 میکرون - بر اثر بازپخت مهمترین عامل در بالا رفتن بازدهی کوانتومی این سلول خورشیدي است. این نتیجه نظري با اندازه گیریهاي تجربی گزارش شده سازگار است.

مقدمه

تا کنون سلولهاي خورشیدي سه پیوندگاهی GaInP/GaInAs/Geبالاترین رکورد جهانی بازده، به مقدار %39، را در بین دیگرسلولهاي خورشیدي به خود اختصاص داده ا ند. اضافه کردن یک پیوندگاه چهارم بین GaInAs و Ge با مادهاي با گاف نواري بین 1 eV تا 1/1 eV امکان بهره بیشتر از طیف خورشید را براي ما
فراهم می سازد. امروزه با شناخت مواد نیمرساناهاي نیتروژندار رقیق نظیر GaInNAs که با تغییر تراکم نیتروژن در حد مقادیر بسیار کم - کوچکتر از - %2 می توان گاف نواري آن را کنترل نمود به عنوان یک کاندید مناسب در سلولهاي خورشیدي چند پیوندگاهی است. این ماده با گاف نواریی بین 1 تا 1/25 eV را میتوان به طور همخوان شبکهاي با بلور GaAs یا Ge رشد داد. همین خاصیت سبب شده است که در سالهاي اخیر تحقیقات و بررسیهاي گستردهاي از این
ماده براي استفاده در سلولهاي خورشیدي چند پیوندگاهی در جریان باشد. در این بین خواصی از جمله طول پخش و طول عمر کوتاه حاملهاي اقلیت مانعی بر سر راه پیشرفت به کار گیري این ماده در سلولهاي خورشیدي شده است. گزارشهاي منتشر شده حاکی از آن است که کیفیت پایین بلوري نیمرساناي نیتروژندار
 رقیق GaInNAs ناشی از وجود نقصهاي نقطهاي با ترازهاي انرژي عمیق در گاف نواري است که به عنوان مراکز بازترکیب عمل میکنند و تاثیر بسزایی در کاهش بازدهی سلول خورشیدي دارند .[1]

نحوه عملکرد سلولهاي خورشیدي
اساس کار اغلب سلولهاي خورشیدي مبتنی بر وجود دستکم یک پیوندگاه p-n است .[2] هنگامی که این پیوندگاه تحت تابش نوري قرار گیرد، فوتونهاي با انرژي بزرگتر از گاف نواري نیمرسانا در ماده جذب و فوتونهاي با انرژي کمتر از آن عبور میکنند.

هرگاه بخش عمده جذب در ناحیه تهی و یا به فاصله طول پخش حاملهاي اقلیتی صورت گیرد، زوج الکترون – حفرههاي تولید شده تحت تاثیر میدان داخلی از یکدیگر جدا شده و یک جریان الکتریکی را به وجود میآورند.

اضافه کردن نیتروژن به ماده به منظور کاهش گاف نواري، آن موجب کاهش عرض ناحیه تهی نیز میشود. این موضوع به افزایش تراکم نقایص نقطه اي، که می توانند در نقش مراکز شبه-ناخالصیهاي بخشنده و پذیرنده عمل کنند، نسبت داده می شود.[3] همچنین اندازهگیریهاي انجام شده در مواد نیتروژندار رقیق GaInNAs کاهش طول عمر حاملهاي اقلیت را با ازدیاد نیتروژن نشان دادهاند .[4] بازدهی کوانتومی معیار مهمی براي سنجش کیفیت مواد به کار گرفته شده در یک سلول خورشیدي است. از آنجا که وقتی طول پخش حاملهاي اقلیتی بسیار کوچک باشد
- چنانچه در مورد ماده مورد نظر ما مقداري در حدود 0/06 μmدارد - [1] جذب موثر نور تنها محدود به عرض ناحیه تهی میشود بازدهی کوانتومی قطعه افت قابل ملاحظه اي پیدا می کند. یک راه براي افزایش بازدهی بزرگتر کردن هر چه بیشتر عرض ناحیه تهی است.
ما در ادامه بحث خود این پدیده را به طور کمی در یک سلول خورشیدي که با ساختار p  n ساخته شده و توسط خوان و همکاران [1]، گزارش شده است مورد بررسی قرار داده ایم. این ساختار که به روش MOCVD رشد یافته شامل یک لایه n از GaAs با آلایش بالا - 10 18 cm -3 - از اتمهاي بخشنده Se و با
 ضخامتروي0/1 μm بر   لایه GaInNAs با ضخامت 3 μm وآلایش متوسط - 10 17  cm -3 - از اتمهاي پذیرنده Zn است. ما دراین مقاله اثر بازپخت - در دماي 700 ◦C به مدت 30 دقیقه - بر بزرگی بازدهی کوانتومی داخلی این قطعه را بر مبناي مدلهاي نظري مورد بررسی قرار داده ایم.

نتایج و بحث
شکل 1 نمودار بازدهی کوانتومی داخلی بر حسب انرژي را براي این قطعه در شرایط قبل و بعد از بازپخت نشان میدهد. دادههاي مربعی توخالی مربوط به این سلول قبل از عمل بازپخت و داده هاي مربعی توپر مربوط به همین قطعه پس از بازپخت است                                                                                          شکل:1 بازدهی کوانتومی داخلی براي یک سلول خورشیدي در شرایط قبل
- مربع هاي تو خالی - و بعد از بازپخت - مربع هاي توپر - .[1]

به طور نظري بازدهی کوانتومی داخلی در یک سلول خورشیدي از رابطه زیر پیروي می کند [6]
که در آن L طول پخش حاملهاي اقلیت، W عرض ناحیه تهی وαλ ضریب جذب بر حسب تابعی از طول موج نور است.

همانطور که از معادله - 1 - پیداست براي تعیین بازدهی کوانتومیداخلی نیاز به طیف ضریب جذب داریم. شکل2 وابستگی انرژي ضریب جذب را براي مواد به کار گرفته شده در این سلول براي مواد GaAs و GaInNAs با تراکم نیتروژن رقیق نشان می دهد.[7] لازم به ذکر است که در این شکل ما براي یافتن ضریب جذب GaInNAs در حالت بازپخت شده و بازپخت نشده، به روشی که توسط پیتک و همکاران [11]گفته شده است، از انتقال طیف جذب GaInNAs به طوري که با گاف نواري آن ماده مطابقت کند، استفاده کرده ایم. گاف نواري براي ماده بازپخت شده1/ 23eV و براي ماده بازپخت نشده    1/ 24eV گزارش شده است
.[1]                            
شکل 2 :تغییرات ضریب جذب بر حسب تابعی از انرژي فوتونهاي نوري براي نیمرساناهاي GaAs - خط پر - و GaInNAs قبل از بازپخت - خط چین - و
بعد از بازپخت - خط نقطه چین - .هنگامیکه L <W باشد، جمعآوري حاملها تنها بستگی به بزرگی عرض لایه تهی سلول خواهد داشت. در این شرایط بنا به گزارش گیز و همکاران  [5] بازدهی کوانتومی داخلی قطعه از رابطه زیرقابل محاسبه خواهد بود:
به منظور تعیینفوقW براي دادههاي تجربی در شکل 1 از مدل استفاده کردیم. نتایج این تحلیل در شکل هاي 3 - الف - و - ب -نشان داده شده اند. در این تحلیل کمیت W به عنوان پارامتربرازشی در نظر گرفته شده است.
 شکل 3 :بازدهی کوانتومی داخلی سلول خورشیدي بر حسب تابعی از انرژي نور تابشی در - الف - نمونه بازپخت نشده و - ب - نمونه بازپخت شده. هر یک از منحنی ها در این شکلها رفتار انتظاري نظري قطعه را به ازاي یک عرض ناحیه تهی معین - W - بر حسب میکرون نشان می دهد.

چنانچه پیداست با توجه به پیش بینی مدل نظري بازدهی کوانتومی داخلی منحنی هاي برازشی به ازاي W= 0/22 μm در قطعه بازپخت شده و W=0/33 μm در قطعه بازپخت نشده داراي بهترین انطباق با داده هاي تجربی است. بنابراین مقدار پهناي

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید