بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به درک جهانی و نیازمندیها در زمینهی استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر و پاک, انرژی خورشیدی در کانون توجه بسیاری از مراکز تحقیقاتی قرار گرفته است. امروزه کاهش قیمت ساخت در کنار راندمان ، از اهداف مهم صنعت سلولهای خورشیدی می باشد. یکی از راههای کاهش قیمت، بکارگیری تکنولوژی فیلم نازک در این سلولها میباشد که از اثر فتوولتایی استفاده میکنند.
در بین این فیلمهای نازک, Cu - In Ga - Se علاوه بر این که دارای قیمت پایینی است، بیشترین راندمان را نیز در بین فیلم های نازک دارا میباشد. در این مقاله به شبیهسازی سلول خورشیدی نانوساختار CIGS با استفاده از نرمافزار Comsol Multiphysics پرداخته شده و در ادامه برای افزایش راندمان، پهنا و ضخامت لایهی ZnO:Al بهینه سازی شده است.
ضخامت بهینه برای این لایه 0,3 میکرومتر بدست آمد که راندمان بدست آمده در این ضخامت 19,1 درصد میباشد. در ادامه با در نظر گرفتن همین ضخامت برای سلول خورشیدی به بهینه سازی پهنای این لایه پرداختیم که نتایج بدست آمده نشان دهندهی حداکثر ماکزیمم 19,9 درصد در پهنای 3میلی-متر و ضخامت 0,3 میکرومتر است. در نهایت پهنای 3میلیمتر و ضخامت 0,3 میکرومتر به عنوان حالت بهینه برای این لایه در نظر گرفته شد.
مقدمه
امروزه بشر در اثر پیشرفتهای علمی در زمینههای گوناگون، نیاز روزافزونی به انرژی پیدا کرده است. این امر بشر را بر آن داشته تا با روشهای مختلف انرژی مورد نیاز خود را کسب کند. در عین حال اساسیترین مشکلی که در تولید انرژی به روشهای سنتی - سوختهای فسیلی، گاز طبیعی و زغال سنگ - وجود دارد آلودگیهای زیست محیطی آنها، همچون گرم شدن کرهی زمین و اثرات گلخانهای، همچنین کاهش سوخت های فسیلی، و افزایش هزینهی تولید آنها میباشد.
بنابراین روی آوردن بشر به منابع انرژی جدیدی که هم تا حدی پایان ناپذیر باشند و هم اینکه باعث آلودگی هوا نشوند، امری اجتناب ناپذیر است. در این بین انرژی خورشید به عنوان یک منبع پاک، آزاد و تجدیدپذیر پایدار، به عنوان جایگزینی خوب برای سایر منابع انرژی، مورد توجه قرار گرفته است. خورشید منبع عظیم انرژی است و می توان گفت منشاء تمام انرژیهای دیگر است. انرژی تابشی خورشید که در هر روز به زمین میرسد، برای برآورده کردن انرژی مورد نیاز یک سال کره زمین کافی است.
انرژی خورشیدی به طور مستقیم یا غیر مستقیم میتواند به دیگر اشکال انرژی همانند گرما و الکتریسیته تبدیل شود. برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته میتوان از اثر فتوولتائیک با استفاده از سلولهای خورشیدی بهره برد. تکنولوژی سلول خورشیدی و کاربردهایش، در طول چهار دههی اخیر به شدت گسترش یافته است. از جمله اهداف مهم صنعت سلول خورشیدی افزایش راندمان و در عین حال کاهش قیمت آنها می-باشد.
در این راستا سلولهای فیلم نازک به میان آمده است [1] که به عنوان نسل دوم سلول- های خورشیدی شناخته میشوند. در سلولهای خورشیدی فیلم نازک از موادی استفاده میشود که به طور طبیعی قیمت پایینی دارند و همچنین تکنیکهای ساخت اینگونه سلولها بالقوه هزینهی کمی در بردارند. اما راندمان آنها نسبت به سلولهای سیلیکنی کم است و نیاز است که بهبود یابد.
سلول خورشیدی فیلم نازک Cu - In1-xGax - Se2 یا همان CIGS بر پایهی سلول خورشیدی نیمه رسانای CuInSe2 بوده و با اضافه شدن آلیاژ گالیوم به این نیمه رسانا بدست میآید.[2] اضافه کردن گالیم به سلولهای خورشیدی بر پایهی CIS باعث بهتر شدن راندمان دستگاه و ویژگیهای الکتریکی میشود
سلولهای CIGS علاوه بر اینکه دارای راندمان نسبتا بیشتری نسبت به دیگر تکنولوژیها بوده در تابشهای بسیار زیاد نیز بسیار مقاومتر هستند و این بدین معنی است که آنها انحراف خاصی را تحت شدتهای زیاد نشان نمیدهند .[4] در شبیهسازی انجام شده توسط[5] فقط به بهینهسازی ضخامت لایهی ZnO:Al پرداخته شده است در حالی که در اینجا با بهینهسازی همزمان پهنا و ضخامت این لایه، بیشترین بازدهی در ضخامت 0,3 میکرومتر و پهنای 3میلیمتر، برابر با 19,9 درصد بدست آمد.
ساختار سلولهای خورشیدی فیلم نازک CIGS
در تکنولوژی CIGS سلولها میتوانند در یک اتصال سری در طول فرایند ساخت به هم متصل شوند که یکی دیگر از ویژگیهای خوب میباشد که تکنولوژی CIGS را از سلولهای دیگر بر پایهی بافرها متمایز میکند. شکل زیر ساختار اتصال داخلی شامل سه قسمت را نشان میدهد. لایهی اول , - P1 - لایهی Moمولیبدم میباشد. دوم - P2 - لایههای CdS ,CIGS و ZnO میباشد که روی قسمت بالایی مولیبدم قرار میگیرند؛ و لایهی سوم - P3 - زیر مولیبدم قرار میگیرد.
شکل .1 ساختار اتصال داخلی ماژول [6]CIGS
اتصال جلویی ZnO : Al
این اتصال که همان لایه اول میباشد، آلومینیم ناخالص شده با زنیک اکسید - ZnO:Al - و لایه زنیک اکسید - n_ZnO - میباشد که به عنوان 1TCO بکار میرود. این لایه در سلول خورشیدی باید دارای دو ویژگی مهم باشد: شفافیت کافی مورد نیاز برای رسیدن نور کافی به لایهی جاذب CIGS را فراهم میکند و رسانش کافی مورد نیاز برای انتقال جریان فوتونی تولید شده به مدار خارجی بدون اتلاف مقاومتی بیش از اندازه را فراهم میکند و همچنین از نظر قیمت نیز ارزان باشد.
لایهی بافر CdS
این لایه بافر به طور معمول یک باند گپ برابر با 2 تا 3,4 الکترون ولت را داراست که یک پیش نیاز برای ایجاد یک ابزار ناهمگونی میباشد .[7] نقش دیگر این لایه حفاظت از ویژگیهای الکتریکی لایهی جاذب در برابر برهمکنش های شیمیایی و آسیبهای شیمیایی در فرایندهای گامهای بعدی میباشد.[8]حذف این لایهی بافر باعث کم شدن راندمان CIGS میگردد.
لایه ی جاذب CIGS
زوج الکترون- حفرههای زیادی که به وسیله ی نور فرودی تولید میشوند به وسیله ی لایهی جاذب CIGS جذب میشوند. از آنجایی که CIGS ضریب جذب بالایی دارد، یک لایه با ضخامت تقریبی 1 تا 2,5 میکرومتر برای جذب بیشترین تابش از خورشید کافی است.
اتصال پشتی مولیبدیوم
پلاتینیوم، طلا، نقره، مس، و مولیبدیوم چندین فلز میباشند که کاندیداهای مناسبی برای تماس الکتریکی پشتی میباشند. در این بین، مولیبدیوم نسبت به فلزات دیگر ترجیح داده میشود و این به علت پایداری در فرایندهای دمایی و مقاومت پایین در اتصال با CIGS میباشد
در اینجا در ابتدا یک مدل از ماژول سلول خورشیدی CIGS بدست میآید. مدل که بر پایهی یک مدل تک دیودی میباشد در نرم افزار Comsol Multiphysics شبیه-سازی میشود و برای بهینه سازی این نتایج به نرم افزار متلب لینک شده و ضخامت بهینه بدست میآید.
روش انجام کار
جدول1 مشخصات لایههای مختلف سلول خورشیدی شبیهسازی شده در نرمافزار کامسول را نشان میدهد. همانطور که گفته شد سلول خورشیدی CIGS از چهار لایه با مشخصات زیر تشکیل شده است.
جدول .1 مشخصات لایه های تشکیل دهنده سلول خورشیدی
هندسهی شبیهسازی شده برای سلول خورشیدی CIGS در نرمافزار کامسول به صورت شکل2 میباشد.
شکل.2 هندسهی شبیهسازی شدن در نرمافزار کامسول
برای محاسبه منحنی I-V و به دنبال آن بدست آوردن بازدهی در نرمافزار کامسول از از ماژول AC/DC و معادلات زیر استفاده می-کنیم:
در این مدل به منظور محاسبهی منحنی I-V از شبیه سازیهای انجام شده، جریانی که لایه پنجره را ترک میکند، به ساختار متصل به سلول بعدی یا به یک ابزار اندازهگیری فرستاده میشود. در روش FEM، ممکن است محاسبه دقیق شارهای عبوری از از مرزها با استفاده محدویتهای استاندارد موجود، سخت باشد. یک روش معمولی برای انجام محاسبات دقیق شار، استفاده از محدودیتهای ضعیف میباشد. در اینجا این محدودیتها شامل، شرایط مرزی، استفاده از ماتریس حل به جای حل مسئله به طور جداگانه و ... میباشد.
در ادامه، معادلهی ∇ - ∇V - = 0 با استفاده از نرم افزار Comsolحل میشود. این نرم افزار چهارچوبی را برای مدل سازی به صورت مدل سازی هندسی، شامل ساختار و حل معادلات دیفرانسیلی جزئی و ابعاد، پارامترهای فیزیکی، شرایط مرزی فراهم میکند و روشهای حل قابل کنترل بوده و امکان تغییر پارامترها در بین اجرای برنامه وجود دارد. دو شرط عملکرد اصلی وجود دارد که در فرایندهای مدل سازی در نظر گرفته میشود. تابش حاصل از پرتودهی نور خورشید و دمای محیطی اطراف سلول خورشیدی.
تابش خورشیدی به عنوان مقداری از انرژی تابشی دریافت شده از خورشید بر واحد سطح در یک دورهی زمانی معین تعریف میشود
بحث و نتیجه گیری
شکلهای3 تا 5 ، توزیع پتانسیل الکتریکی درون لایههای مختلف از یک سلول خورشیدی CIGS در حالی که لایه زیرین در پتانسیل صفر و پتانسیل لایه ی بالا که مربوط به لایه ZnO میباشد متغیر است را نشان میدهند. در این ژئومتری ها، شرایط مرزی اولیه بر روی شکل نشان داده شده است، با استفاده از این شکلها میتوان مقدار پتانسیل در لایههای مختلف و همچنین در تمام نقاط درون هندسه بدست آورد .
همینطور که در شکلها دیده ، لایه پایینی مربوط به مولیبدیوم میباشد که کاملا رسانا میباشدو به همین دلیل پتانسیل درون آن تقریبا صفر می باشد و آبی رنگ میباشد; باند بالایی مربوط ZnO میباشد که دارای یک رسانایی محدود میباشد و بنابراین افت پتانسیل کوچکی در آن وجود دارد. بیشترین تفاوت در اختلاف پتانسیل، در لایهی وسط وجود دارد که مربوط به ضخامت CIGS میباشد.
این لایه به عنوان لایهی جاذب بکار میرود و اکثر نور خورشیدی که به سلول خورشیدی می رسد در این لایه جذب و ازطریق اتصالات داخلی بین لایه های مختلف، به لایه های مجاور رفته و در نهایت گردآوری می شود. دلیل اینکه گوشه ی سمت چپ در لایه ی ZnO همواره بیشترین مقدار اختلاف پتانسیل وجود دارد و بارنگ کاملا قرمز نشان داده شده، جریان نوری حاصل از تابش اولیه میباشد که مقدار آن 350A/m2 میباشد.
شکل .3توزیع پتانسیل در CIGS در پتانسیل0V
