بخشی از مقاله
چکیده -
سلولهای خورشیدی بر پایه لایه جاذب Cu - In,Ga - Se2 - CIGS - دارای راندمان تبدیل انرژی بالاتری در سلولهای خورشیدی لایه نازک هستند. در این پژوهش عملکرد سلولهای خورشیدی لایه نازک CIGS با ساختار ZnO/CdS/CIGS با استفاده از نرمافزار شبیهسازی wxAMPS بررسی شدهاست. ضخامتهای لایههای CdS/CIGS و چگالی آلایش لایه CIGS بررسی شده و نشان داده میشود که عملکرد سلول خورشیدی بهبود مییابد. در نتیجه در محاسبات نشان داده میشود که عملکرد سلول خورشیدی در ضخامتهای 100nm و 10nm و 3.5µm به ترتیب برای لایههای ZnO، CdS و CIGS و چگالی آلایش 2*1017 برای لایه CIGS بهبود مییابد.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر با توجه به نیاز روزافزون بشر به منابع انرژی و به منظور جلوگیری از آلودگیهای زیست محیطی، گرایش به سمت استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر افزایش یافته است. یکی از پاکترین این انرژیها، انرژی تابشی بی پایان خورشید است. در حال حاضر سلولهای خورشیدی کار تبدیل انرژی نوری خورشید به جریان الکتریکی را به عهده دارند.
در سالهای اخیر، رشد و کاربرد سلولهای خورشیدی لایه نازک پیشرفت خوبی داشتهاست. به خصوص سلولهای خورشیدی لایه نازک بر پایه لایه جاذب Cu - In,Ga - Se2 - CIGS - که بیشترین بازده را در میان تکنولوژیهای لایه نازک موجود دارا هستند.[2] علاوه بر بازده بالا، ماژولهای لایه نازک CIGS پایداری خارجی و شدت تابش عالی را ارائه میدهند.[3] لایههای CIGS به عنوان مواد امیدبخش برای دست یافتن به سلولهای خورشیدی با هزینه پایین و عملکرد بالا مطرح میشوند.
عملکرد سودمند دیگر سلول خورشیدی CIGS مقاومت تابش بالا، anti dumping بالا و ضریب جذب بالاست که آن را کاربردیتر میکند.[2] بازده سلول خورشیدی لایه نازک توسط خواص لایهها بسیار تحت تاثیر قرار میگیرند.[5] بنابراین، درک اینکه شبیهسازی عددی الکتریکی و نوری سلولهای خورشیدی لایه نازک CIGS سازگار با تکرار متداول باشد مهم است.[6] در این پژوهش، با استفاده از نرمافزار شبیهسازی یک بعدی wxAMPS نشان میدهیم که عملکرد سلول خورشیدی چطور با ساختار ZnO-CdS-CIGS تحت تاثیر قرار میگیرد و تاثیر پارامترهای لایه جاذب و بافر مانند چگالی آلایش و ضخامت لایهها بررسی میشود.
-2 جزئیات آزمایش
-2-1 پارامترهای ساختاری سلول خورشیدی CIGS
سلول خورشیدی لایه نازک CIGS شبیهسازی شده شامل شیشه آهک سوددارZnO /Al-ZnO / نوع /CdS /n لایه جاذب /CIGS اتصال پشت mo است. در شکل 1 ساختار سلول خورشیدی CIGS که در شدهاست.
شبیهسازی استفاده شده قرار داده شدهاست. ضخامت لایه جاذب بین µ0.05m تا µ3.5m و لایه بافر بین 0.01ʽm تا µ0.15m متغیر است.
شکل.1ساختار سلول خورشیدی شبیهسازی شده
لایه نازک molybdenum - mo - در الکترود زیرین در سلول-های خورشیدی خانواده chalcopyrite به عنوان یک نتیجه مقاومت ویژه پایین اتصال mo/CIGS به کار برده میشود.
-2-2 پارامترهای شبیهسازی برای سلول خورشیدی
CIGS
شبیهسازی با استفاده نرمافزار wxAMPS انجام شده که در دانشگاه Illinois معرفی شده است.[8,7] برنامه wxAMPS یک بروزرسانی از ابزار شبیهسازی مشهور AMPS و یک ابزار شبیه-سازی تطبیقپذیر برای پردازش دستهای شبیهسازی سلولهای خورشیدی است.[
در فرآیند شبیهسازی سرعت بازترکیب سطحی برای الکترونها و حفرهها 107 cm/sو مقدار آنالوگ دیجیتال برای تابش خورشید استاندارد AM1.5 در نظر گرفته شدهاست. بازتاب نور برای شیشه آهک سوددار و اتصال پشت MO به ترتیب 0.05 و 1 است.
در جدول 1 سایر پارامترهای مورد نیاز برای شبیهسازی نشان داده
جدول.1 پارامترهای مورد نیاز برای شبیهسازی
-3 شبیهسازی و تحلیل نتایج
-3-1 تاثیر ضخامت لایه جاذب و بافر
به علت مواد گران و فرآیندهای پیچیده سزاوار است که ضخامت مناسب برای لایه CIGS مورد توجه قرار گیرد.[2] در این قسمت از مقاله تاثیر ضخامت لایه جاذب بر روی سلول خورشیدی بررسی میشود. ضخامت لایه جاذب بین 0.05 µm تا 3.5 ʽm تغییر میکند. همانطور که در شکل 2 نشان داده شدهاست با افزایش ضخامت لایه جاذب بازده سلول خورشیدی افزایش مییابد. در محاسبات ضخامت لایه بافر 0.1 ʽm در نظر گرفته شدهاست.
شکل.2 تاثیر ضخامت لایه جاذب
در سلول خورشیدی CIGS یک مزیت مهم استفاده از لایه بافر CdS به کار بردن آفست باند هدایت لایههای CdS/CIGS است. آزمودن بیشتر مشخصات لایههای CdS، به خصوص ضخامت آنها بسیار سخت است.[10] شکل 3 تاثیر تغییر ضخامت لایه بافر در سلول خورشیدی را نشان میدهد. همانطور که در شکل نشان داده شدهاست با تغییر ضخامت لایه بافر از 0.01 ʽm تا 0.15 ʽm و در ضخامت 3.5 ʽm برای لایه جاذب بازده کاهش مییابد. با توجه به نتایج بدست آمده در ضخامت-های 0.01 ʽm برای CdS و 3.5 ʽm برای CIGS بازده بهبود یافته و به مقدار %22.7 میرسد.
شکل.3 تاثیر ضخامت لایه بافر
شکل.4 تاثیر تغییر چگالی آلایش لایه جاذب
-4 نتیجهگیری
-3-2 تاثیر چگالی آلایش لایه جاذب
کارایی سلولهای CIGS میتوانند با کنترل شکاف باند انرژی که باعث بخش فضایی چگالی آلایش در لایه جاذب میشود افزایش یابد. درک روشن از فیزیک بنیادی افزاره سلولهای CIGS برای استخراج مصالح یک راهکار طراحی و مطالعات بیشتر برای بهینهسازی برای رسیدن به بازده کارایی بیشتر مهم است. چگالی آلایش لایه P-CIGS که یک پارامتر فضایی است در کل افزاره میتواند تحلیل شود و تصور کلی یک طراحی تازه بدون نیاز به ساخت واقعی میتواند آزمایش شود.
چندین تحقیق در آن زمینه انجام شدهاست، اما تا حدودی فیزیک پایه افزاره مانع پاسخدهی تحقیقات میشود.[2] در اینجا اثر تغییر چگالی آلایش لایه CIGS بر روی سلول خورشیدی بررسی میشود. شکل 4 تغییر بازده سلول خورشیدی بر اثر تغییر چگالی آلایش لایه جاذب را نشان میدهد. همانطور که در شکل مشاهده میشود بازده در چگالی 2*1017 و ضخامتهای 0.1 ʽm، 0.01ʽm و 3.5 ʽm به ترتیب برای لایههای ZnO، CdS و CIGS بهبود یافته و به 24.5% میرسد.
در این مقاله سلول خورشیدی لایه نازک CIGS با استفاده از نرمافزار شبیهسازی wxAMPS مورد شبیهسازی و تحلیل قرار گرفت و تاثیر تغییر ضخامت و چگالی آلایش لایه جاذب و بافر بر بازده سلول خورشیدی بررسی شد. همانطور که مشاهده شد بازده سلول خورشیدی با افزایش ضخامت لایه جاذب و کاهش ضخامت لایه بافر و همچنین افزایش چگالی آلایش لایه جاذب افزایش یافته و به %24.5 بهبود مییابد.
