بخشی از مقاله
چکیده
یکی از راههای افزایش بازده سلولهای خورشیدی استفاده از اتصالات چندگانه است؛ بدینصورت که طیف خورشید را به چند بخش تقسیم میکنند که هر لایه بخشی از طیف خورشید را جذب میکند. ماده InGaN دارای گاف انرژی مستقیم از 0/7 تا 3/4 الکترونولت و دارای ضریب جذب بالا و قابلیت تحرک الکترونی خوب، ماده مناسبی برای سلول چندپیوندی است. بیشترین شدت طیف خورشید در بازه 300 تا 1100 نانومتر قرار دارد؛ بنابراین لایههای مختلف سلول باید بهگونهای طراحی گردند که بتوانند این محدوده را پوشش دهند. سلول خورشیدی In0.4Ga0.6N با گاف انرژی 2 الکترونولت طولموجهای کمتر از 620 نانومتر را جذب کرده و بهعنوان لایه بالایی سلول خورشیدی دوپیوندی استفاده میگردد.
GaAs با گاف انرژی 1/42 الکترونولت طولموجهای کمتر از 870 نانومتر را جذب میکند و بهعنوان لایه پایینی استفادهشده است. در ابتدا سلول خورشیدی In0.4Ga0.6N و GaAs با استفاده از نرمافزار سیلواکو شبیهسازی شدهاند. بهمنظور کاهش بازترکیب سطحی از لایه پنجره و BSF در طرفین لایه جاذب استفادهشده است. دو لایه سلول خورشیدی توسط پیوند تونلی به هم متصل میگردند.
ساختار پیشنهادی بهصورت دوپیوندی In0.4Ga0.6N/GaAs با پیوند تونلی GaAs به ضخامت 4 نانومتر و چگالی ناخالصی 1020 cm-3 بین دو لایه سلول خورشیدی است. نوار انرژی، میدان الکتریکی و نرخ تولید نوری جهت بررسی صحت عملکرد و منحنی جریان-ولتاژ بهمنظور تعیین پارامترهای خروجی سلول خورشیدی دوپیوندی استخراج شدهاند. در نهایت تحت تابش طیف AM1.5، مقدار ولتاژ مدارباز 2/52 ولت و بازده %30/64 به دست آمد.
-1 مقدمه
در سلولهای خورشیدی چندپیوندی معمولاً از عناصر گروه سه و پنج استفاده میشود. استفاده از اتصالات چندگانه باعث افزایش بازده این نوع سلولها نسبت به سلول تکپیوندی میگردد. اولین لازمه مواد سلول خورشیدی تطبیق گاف انرژی با بیشینه شدت طیف خورشید و داشتن قابلیت تحرک و طول عمر بالای حاملها است.
سلول خورشیدی چندپیوندی از چندلایه تشکیلشده است که هر لایه بخشی از طیف خورشید را جذب میکند و بنابراین تقریباً تمام طیف خورشید در معرض سلول خورشیدی قرار میگیرد. همچنین بالاترین لایه که در مقابل نور خورشید قرار میگیرد بیشترین گاف انرژی را دارد و لایههای پایینتر به ترتیب گافهای انرژی کمتری دارند. در سلول خورشیدی چندپیوندی انتخاب ماده باید با دقت بالایی صورت گیرد؛ بهطوریکه ساختار انتخابشده انعطاف بالایی درزمینه تطبیق ثابت شبکه لایهها برای داشتن فرآیند رشد ایدهآل و تغییر گاف انرژی داشته باشد.
توانایی مهندسی گاف انرژی با ماده InGaN در محدودهای که یک طیف مناسب برای جذب نور خورشید را فراهم میکند، این ماده را بهعنوان ماده مناسبی برای سلولهای خورشیدی چندپیوندی معرفی میکند. یکی از مهمترین ترکیبات InGaN برای استفاده در سلول خورشیدی In0.4Ga0.6N است که دارای گاف انرژی 2 الکترونولت هست. ضریب جذب نوری برای ماده InGaN از مرتبه 105 cm-1 و در GaAs از مرتبه 104 cm- 1 است. یکی از ویژگیهای مهم این ماده گاف انرژی مستقیم و وسیع آن است.
این ویژگی سبب میشود که ماده بتواند تمام طیف خورشید را پوشش دهد. ماده InN دارای گاف انرژی 0/7 الکترونولت و ماده GaN دارای گاف انرژی 3/42 الکترونولت میتوانند طیف خورشید ازUV1 تا IR2 را جذب کنند. مواد نیمرسانایی که دارای گاف انرژی مستقیم و بالاتر از 2/2 الکترونولت باشند خیلی کم هستند. یکی از این مواد که اغلب بهصورت لایه جاذب استفاده میشود، InGaN است. به علت ضریب جذب بالا این ماده قادر است مقدار زیادی نور را بهوسیله لایههای نازک جذب کند .[1] بهعلاوه پایداری گرمایی و شیمیایی و کاربرد در دماهای بالا از دیگر مزایای این ماده هست .[2] همچنین سرعت اشباع GaN بالاست و این بدین معناست که الکترونها در میدانهای بالاتری به اشباع میرسند؛ بنابراین میدان شکست افزاره افزایش مییابد. این ماده همچنین دارای قابلیت تحرک بالا و سرعت رانش3 بالاست.
-2 تئوری و پیشینه تحقیق
یکی از اولین ساختارهای پیشنهادشده سلول خورشیدی دو پیوندی GaAs/Ge در دو حالت همراه با لایه AlGaAs و بدون آن است. در این ساختار لایههای پنجره بهمنظور کاهش سرعت بازترکیب سطحی روی این سطوح قرار دادهشدهاند .[3] در مقاله [4] بازده کوانتومی داخلی و خارجی سلولهای خورشیدی دو پیوندی GaN/InGaN نشان دادهشده است. بازده کوانتومی داخلی از طریق ترکیب جذب و اندازهگیری بازده کوانتومی خارجی بررسیشده است. بازده کوانتومی داخلی تا 97 درصد، تبدیل مناسب فوتونهای جذبشده به الکترونها و حفرهها و انتقال مؤثر این حاملها به خارج از سلول خورشیدی را نشان میدهد.
بهمنظور ورود بیشتر نور به داخل سلول خورشیدی از روش ناهمواری سطحی4 استفاده میگردد. حداکثر بازده کوانتومی خارجی تا %72، ضریب پری 0/79، چگالی جریان اتصال کوتاه 1/06 mA/cm2 و ولتاژ مدارباز 1/89 ولت تحت شرایط نور خورشیدی طیف AM1.5 بهدستآمده است. در مرجع [5] سلول خورشیدی دوپیوندی In0.52Ga0.48N/In0.84Ga0.16N با پیوند تونلی In0.65Ga0.35N استفادهشده است و بازده نهایی به 26/91 رسیده است.
برای ارزیابی عملکرد سلولهای خورشیدی بهطورمعمول منحنی جریان-ولتاژ - I-V - سلول تحت تابش نور موردمطالعه قرار میگیرد. در ادامه به معرفی و نحوه محاسبه مشخصههای سلول خورشیدی میپردازیم. جریان اتصال کوتاه5 یکی از مهمترین پارامترهای قابلاندازهگیری برای سلول خورشیدی است. جریان اتصال کوتاه - Isc - بیشترین جریانی است که سلول خورشیدی در حالت اتصال کوتاه در معرض نور خورشید تولید میکند. به جریان اتصال کوتاه در واحد سطح مؤثر چگالی جریان اتصال کوتاه میگویند و از رابطه - 1 - به دست میآید .
که در آن E انرژی فوتون برخوردی، تعداد فوتونهای دارای انرژی از E تا E+dE که در واحد سطح - cm2 - در واحد زمان - ثانیه - به سطح پیوند برخورد میکند. QE - E - بازده کوانتومی خارجی است.
ولتاژ مدارباز - Voc - 1، یکی از اساسیترین مشخصههای سلول خورشیدی و معادل با بیشترین ولتاژ تولیدشده توسط سلول است. وقتیکه سلول در حالت مدارباز تحت تابش نور قرار گیرد و جریان آن برابر با صفر باشد ولتاژ دو سر سلول برابر با Voc است. مطابق شکل 1 ولتاژ مدارباز اختلافپتانسیل بین دو سطح فرمی قبل و بعد از تابش نور خورشید است
شکل :1 ترازهای انرژی برای سلول خورشیدی تحت تابش در حالت مدارباز.
با فرض صفر بودن جریان بازترکیب ناحیه تخلیه، ارتباط بین جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدارباز با رابطه زیر بیان میشود
با فرض جریان اتصال کوتاه ثابت، ولتاژ مدارباز با جریان اشباع معکوس رابطه عکس دارد. از آنجاییکه جریان اشباع معکوس با گاف انرژی رابطه معکوس دارد؛ بنابراین ولتاژ مدارباز و گاف انرژی باهم رابطه مستقیمی دارند. ضریب پری کیفیت رفتار دیودی سلول را نشان میدهد و همیشه دارای مقدار پایینتری از یک هست. طبق رابطه - 3 - ضریب پری، یکی از پارامترهایی است که با ضرب ولتاژ مدارباز و جریان اتصال کوتاه سلول خورشیدی رابطه دارد.
بازده یا کارایی سلول خورشیدی، مهمترین مشخصهای است که برای سلول خورشیدی مطرح میشود و معادل با نسبت بیشترین توان خروجی به توان ورودی است. توان ورودیمعمولاً شدت تابش نور در AM1.5 است و برحسب واحد mW/cm2 محاسبه میشود. در رابطه - 4 - بازده برحسب سایر پارامترهای سلول خورشیدی ارائه میشود .[8]
-3 مشخصات ماده InGaN
گسترش نیمرساناهای نیترید بهمنظور استفاده در سلول خورشیدی به علت ویژگیهای جالب آنها یکی از فنّاوریهای مهم است. گاف انرژی نیمرسانای InGaN از رابطه - 5 - به دست میآید
