بخشی از مقاله

چکیده -

در این مقاله قصد داریم تاثیر ایجاد پنجره با شکاف انرژي مدرج بر عملکرد سلول خورشیدي تک پیوندي مبتنی بر AlxGa1-xAs/GaAs را توسط شبیه سازي نشان دهیم. شبیه سازي توسط نرم افزار Silvaco Tcad/Atlas انجام می شود و این امکان را فراهم می آورد تا با صرفه جویی در زمان و هزینه نه تنها عملکرد و پارامترهاي افزاره را بررسی کنیم، بلکه آن ها را بهبود بخشیم.

در این مقاله ابتدا به بررسی عملکرد سلول خورشیدي تک پیوندي مبتنی بر AlxGa1-xAs/GaAs می پردازیم و ساختار بهینه اي براي چنین سلول خورشیدي اي پیشنهاد می کنیم و سپس نشان می دهیم که مدرج سازي شکاف انرژي پنجره سلول خورشیدي موجب افزایش بازده تبدیل - Conversion Efficiency - و بهبود بازده کوانتومی - Quantum Efficiency - آن می شود.

-1  مقدمه

نیمه رساناهاي گروه III-V از قبیل GaAs که داراي شکاف انرژي مستقیم می باشند، به علت داشتن بازده تبدیل و همچنین مقاومت بالا در برابر تابش ذرات پرانرژي مانند الکترون و پروتون، در ساخت سلول هاي خورشیدي چه در کاربردهاي زمینی و چه در کاربردهاي فضایی مانند فضاپیماها و ماهواره ها استفاده می شود .[1] یکی از بهترین بازده هاي تبدیلی که تاکنون از سول خورشیدي مبتنی بر GaAs بلورین به دست آمده است برابر 26.1% می باشد که توسط دانشگاه رادبود - Radboud - در شهر نایمگن - Nijmegen - هلند گزارش شده است

سرعت بازترکیب سطحی

Velocity - زیاد تلفات حامل ها زیاد می باشد، لذا براي کاهش چنین تلفاتی از یک لایه AlxGa1-xAs که شکاف انرژي بالایی دارد بر روي امیتر سلول خورشیدي استفاده می شود. به این لایه پنجره می گویند، و بدین ترتیب یک سلول خورشیدي ناهمگون - Heterojunction - خواهیم داشت. از آن جایی که پنجره شکاف انرژي بالایی دارد، براي آن که حامل هاي اقلیت امیتر بتوانند دوباره به سطح رویی سلول خورشیدي بازگردند باید بر نیروي بزرگتري غلبه کنند، در نتیجه استفاده از پنجره موجب بهبود عملکرد سلول خورشیدي می شود

در این مقاله قصد داریم اثر مدرج سازي شکاف انرژي پنجره را بر عملکرد سلول خورشیدي تک پیوندي مبتنی بر AlxGa1-xAs/GaAs بررسی کنیم. نشان می دهیم که مدرج سازي شکاف انرژي پنجره می تواند موجب افزایش بازده تبدیل و بهبود بازده کوانتومی شود. مطابق بهترین دانسته هاي ما این اولین باري است که چنین استفاده اي از پنجره مطرح می شود.

-2  تحلیل افزاره

در این بخش به تحلیل سلول خورشیدي تک پیوندي مبتنی بر AlxGa1-xAs/GaAs می پردازیم. براي این منظور از شبیه ساز [4] Silvaco Tcad/Atlas کمک گرفته ایم. سلول خورشیدي مورد نظر به ترتیب از بالا داراي لایه هاي p+-AlxGa1-xAs - x>0.8 - ، p-GaAs، n-GaAs و n+-GaAs می باشد. ضخامت این لایه ها به ترتیب 1، 2، 20 و 400μm و چگالی آن ها به ترتیب 2x10 18 cm-3، 2x10 18 cm-3، cm-3 1x1017 و 1x10 18 cm-3 می باشد. چنین ساختاري قبلا مورد برسی قرار گرفته و به طور عملی نشان داده شده است که جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدار باز این سلول خورشیدي در شرایط 1sun, AM0 به ترتیب برابر 22.8 mA/cm2 و 1.02 V می باشد

براي ایجاد شرایط AM0 در شبیه سازي یک فایل ورودي ایجاد شد که این فایل ورودي شامل پایگاه داده اي از طول موج ها و توان هاي مربوطه در شرایط AM0 می باشد، محتواي پایگاه داده از [6] استخراج شده است. مقادیر جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدار باز حاصل از شبیه سازي به ترتیب برابر 22.44 mA/cm2 و0.97 V می باشد، اختلاف اندکی که وجود دارد ناشی از تفاوت در پارامترهاي مواد و ظرایف تابش نور می باشد. البته می توان به این پارامترها نیز در شبیه ساز مقدار اولیه اي تخصیص داد.

بهینه سازي بازده تبدیل سلول خورشیدي فوق، قبلا مورد بررسی قرار گرفته است [7,8,9]، در این بررسی با انتخاب مقادیر مناسب براي ضخامت و تراکم ناخالصی لایه ها عملکرد سلول خورشیدي بهبود یافت. علاوه بر این براي افزایش بازده کوانتومی و کاهش ضریب بازتابش از یک لایه پوشش ضد انعکاس - Anti-Reflection Coating - بر روي پنجره استفاده می شود که این پوشش عایق شفافی می باشد که ضخامت آن برابر یک چهارم طول موج نوري مورد نظر می باشد. ضریب شکست - n - و ضخامت - h - این پوشش ضد انعکاس از روابط زیر محاسبه می شود:

n1 و n2 ضرایب شکست موادي است که پوشش ضد انعکاس بین آن ها قرار می گیرد و λ طول موجی نوري اي می باشد که می خواهیم در آن طول موج انعکاس به حداقل برسد ، در این مقاله این کمیت برابر 0.6μm در نظر گرفته شده است.

ساختار سلول خورشیدي حاصل در شکل 1 نشان داده شده است و نتایج حاصل از شبیه سازي آن یک بار در شرایطی که پنجره آن می باشد و بار دیگر در شرایطی که پنجره آن AlxGa1-xAs اي می باشد که x از 0.85 تا 0 مدرج شده است در جدول 1 ارائه شده است.

همچنین منحنی هاي مشخصه IV، PV و منحنی بازده کوانتومی داخلی و خارجی بر حسب طول موج نوري تحت هر یک از دو شرایط در شکل هاي 2 تا 5 نشان داده شده است.

جدول 1 و شکل هاي 2 و 3 نشان می دهند که مدرج سازي شکاف انرژي پنجره موجب افزایش بازده تبدیل در حدود 1.5% می شود و همچنین شکل هاي 4 و 5 نشان دهنده بهبود بازده کوانتومی به ویژه در طول موج هاي کوتاه می باشد. نوري که انرژي بیشتر و در نتیجه طول موج کمتري دارد، ضریب جذب بیشتر و در نتیجه عمق جذب کمتري دارد .[10] براي محاسبه ضریب جذب موثر لایه اي با شکاف انرژي مدرج از روابط زیر استفاده می شود:

در این روابط αeff ضریب جذب موثر لایه با شکاف انرژي مدرج، Egmin و Egmax به ترتیب شکاف انرژي کمینه و بیشینه لایه با شکاف انرژي مدرج، αgmin ضریب جذب لایه با شکاف انرژي مدرج در Egmin، h ثابت پلانک و ν فرکانس نور تابشی می باشد. با توجه به اینکه هر چه شکاف انرژي کوچکتر باشد ضریب جذب بیشتر می شود و در رابطه - 5 - با افزایش انرژي نور ضریب جذب موثر لایه با شکاف انرژي مدرج برابر ضریب جذب در Egmin می شود .[11] پس می توان نتیجه گرفت که با افزایش انرژي نور و یا به عبارت دیگر با کاهش طول موج آن ضریب جذب پنجره با شکاف انرژي مدرج افزایش می یابد، در نتیجه بهبود بازده کوانتومی در طول موج هاي کوتاهتر بیشتر می باشد.

شکل :1 ساختار سلول خورشیدي تک پیوندي مبتنی بر AlxGa1-xAs/GaA

شکل :2 منحنی IV سلول خورشیدي تک پیوندي مبتنی بر AlxGa1-xAs/GaAs که x - 1 - در پنجره 0.85 می باشد، x - 2 - در پنجره از 0.85

تا 0 تغییر می کند.

شکل :4 منحنی بازده کوانتومی داخلی و خارجی بر حسب طول موج نوري سلول خورشیدي تک پیوندي مبتنی بر AlxGa1-xAs/GaAs که x در پنجره 0.85 می باشد.

شکل :3 منحنی PV سلول خورشیدي تک پیوندي مبتنی بر AlxGa1-xAs/GaAs که x - 1 - در پنجره 0.85 می باشد، x - 2 - در پنجره از 0.85
تا 0 تغییر می کند.

شکل :5 منحنی بازده کوانتومی داخلی و خارجی بر حسب طول موج نوري سلول خورشیدي تک پیوندي مبتنی بر AlxGa1-xAs/GaAs که x در پنجره از 0.85 تا 0 تغییر می کند.

جدول :1 نتایج حاصل از شبیه سازي سلول خورشیدي تک پیوندي مبتنی بر AlxGa1-xAs/GaAs یک بار در شرایطی که پنجره آن Al0.85Ga0.15As می باشد و بار دیگر در شرایطی که پنجره آن AlxGa1-xAs اي می باشد که x آن از 0.85 تا 0 مدرج شده است.

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