بخشی از مقاله
چکیده
با رویکرد تکنولوژی به سمت تجمع مدارات الکترونیک نوری، مشکلات ساخت و پدیدههایی که به جلوگیری از فشرده سازی بیشتر ساختار کمک میکرد، باعث شد تا استفاده از ساختارهای پلاسمونیک و امواج پلاسمونیک مورد بررسی و استفاده قرار بگیرد. نانو ساختارهای پلاسمونیک متشکل از فلز و دی الکتریک میباشد که ابعاد آنها زیر طول موج تحریکی یعنی طول موج پرتویی که باعث تحریک امواج پلاسمونیک میشود، قرار دارد.
در این مقاله چند ساختار جدید برای سلولهای خورشیدی با استفاده از نانوذرات نقره پیشنهاد داده شده است، که در ساختار پیشنهادی که از نانو ذرات نقره در سطح و انتهای سلول خورشیدی استفاده شده است به مقدار 27/14 میلی ولت بر سانتی متر مربع برای ماکزیمم توان خروجی و 83/71درصد برای ضریب پرشدگی رسیدیم. در ساختاری که از چیدمان قطری نانو ذرات در سلول خورشیدی استفاده کردیم به چگالی جریان 21/54 میلی آمپر بر سانتی متر مربع رسیدیم و در حالتی که از ذرات سه جنسی را در سلول خورشیدی قرار دادیم به چگالی جریان 26/78 میلی آمپر بر سانتی متر مربع رسیدیم.
مقدمه
امروزه سلولهای خورشیدی لایهنازکٌبه دلیل استفاده از مواد ارزان و کم هزینه بهطور گسترده در سیستم های فوتوولتائیک موردتوجه قرارگرفتهاند. اما تلفات زیاد نوری از معایب این نوع سلول های خورشیدی به شمار میرود. ضخامت این نوع سلولهای خورشیدی در حد چند میکرومتر است که باعث میشود بیش از 60 درصد طولموج نور تابیده شده به آنها بدون اینکه جذب شود از آنها عبور کند. با به دام انداختن نور و در نتیجه افزایش میزان جذب فوتونها میتوان بازدهی آنها را افزایش داد.
یکی از راههای به دام انداختن نور در سلول های خورشیدی استفاده از نانوذرات پلاسمونیک است. پس از برخورد نور با نانو ذرات پلاسمونیک تحت تاثیر میدان الکتریکی نور، نوسان پلاسمون سطحی رخ میدهد که باعث برخورد نور با الکترونها متمرکزشده پلاسمونهای سطحی محلی میشود و موجب تغییر شدت میدان در اطراف نانوذره میشوند.
شکل - 1 - شکلگیری پلاسمونهای محلی - LSPs - در پاسخ به تابش نور
جهت به دام اندازی مؤثر نور باید نور فرودی تلفشده به درون سلول خورشیدی منعکس شود. این عمل با استفاده از نانو ذرات پلاسمونیک مطابق شکل - - 2 صورت میگیرد.
شکل - 2 - قرارگیری نانو ذرات پلاسمونیک پشت سلول خورشیدی لایهنازک
شکل، اندازه و محل قرارگیری نانو ذرات با تقویت میدان الکتریکی در ناحیه تخلیه میتواند موجب اصلاح پراکندگی نور و افزایش قابل راندمان توجه درون سلول خورشیدی شود
شکل و اندازه نانوذرات پلاسمایی فلزی فاکتور مهمی در تشخیص کوپل نوری سلول خورشیدی است که در شکل 3 - الف و ب - این مسئله به نمایش درآمدهاست.
شکل3 الف - کسر نور پخششده درون زیرلایه سیلیکون، تقسیمشده به شدت پخش برای شکل و اندازههای مختلف از نانوذرات نقره روی سیلیکون. خط بریدهشده کسر نور پخش شده در سیلیکون را برای دوقطبی الکتریکی موازی که 10 نانومتر از سیلیکون فاصله دارد، نمایش میدهد، ب - برای طولموج 800 نانومتر - جذب درون نانوذرات در محاسبات نادیده گرفته شده است، و بازتابنده پشتی ایدهآل فرض شده است -
برخی از فلزهای پلاسمایی نانوساختار را میتوان بر روی سطح یک سلول خورشیدی ساخت، برای مثال، لایهنشانی لایهنازک و الگودهی با لیتوگرافی سطح امکان ساخت سلول های خورشیدی پلاسمونیک وجود دارد. یکی از کاربردهای جالب پلاسمای سطح در شکل - 4 - دیده میشود که در آن نانوذرات فلز به دام اندازی نور وابسته به طولموج را برای سلولهای خورشیدی تاندمٍ فراهم میسازند - بطوریکه طول موج کوتاهتر با لایه بالایی که نانوذراتش کوتاهترند و فوتونهایی با انرژی بالاتر را جذب میکند کوپل میشود و نانوذرات کوچکتر برای کوپل طول موجهای بلندتر با لایه زیرین استفاده میشوند
شکل - 4 - یک شماتیک که نشاندهنده دامهای نوری وابسته به طولموج برای ساختار سلولهای خورشیدی تاندمی مبتنی بر نقاط کوانتومی که از نانوذرات فلزی پلاسمایی با اندازههای مختلف متناسب با سطوح انرژی نور خورشیدی
سلول های خورشیدی پلاسمونیک
ساختار پایه یک سلول خورشیدی لایه نازک با نانوذرات پلاسمونیک در شکل - 5 - مشاهده میشود. در این ساختار یک موج الکترومغناطیسی، از یک سمت به ذرات آرایه، تابیده میشود. وقتی موج به اولین ذره میرسد باعث نوسان الکترونهای رسانش این ذره میشود این الکترونهای نوسانی دوباره شروع به تابش موج الکترو مغناطیسی میکنند که منجر به پراکندگی تابش توسط این ذره میشود.
حضور نانوذرات پلاسمونیک درون لایه فعال سلولهای خورشیدی لایهنازک، جذب اپتیکی و درنتیجه بازده سلول را به میزان قابلتوجهی بهبود میبخشد. اگرچه از آنجائی که نانوذرات پلاسمونیک فعالیت شیمیایی بالایی دارند احتمال واکنش بین نانوذرات و لایه فعال بالا میباشد. همچنین حضور نانوذرات کانالهای غیر تابشی دیگری در کنار تولید الکترون-حفره را ممکن میسازد، علاوه بر اینکه احتمال جذب الکترونهای تولیدشده به نانوذره وجود دارد. درنتیجه افزایش مشاهدهشده در جریان مدار باز سلول به میزان افزایش جذب اپتیکی نخواهد بود
شکل - 5 - طرح اول: نور توسط نانوذرات فلزی به دام میافتد و با پخش با زوایای مختلف عمق مؤثر را افزایش میدهد.
