بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله از کادمیوم تلوراید - CdTe - به عنوان سلول تک پیوندی استفاده شده و چون باند شکافی نزدیک به گالیم آرسناید دارد، در پایان با این سلول مقایسه کردیم.از آنجایی که ولتاژ مدار باز - Voc - از مهمترین پارامترها در شبیه سازی سلول های خورشیدی است ما در این مقاله نشان دادیم که در یک مدل و شرایط یکسان استفاده از کادمیوم تلوراید می تواند بهبودی نسبی نسبت گالیم آرسناید ایجاد نماید.
1 -مقدمه
افزایش تقاضای انرژی در سطح جهانی و تخلیه منابع سوخت های فسیلی باعث ایجاد انگیزه قابل توجهی در تحقیق و توسعه منابع انرژی تجدید پذیر شد. انرژی خورشید ، باد و برق آبی در میان منابع انرژی تجدید پذیربه طورگسترده استفاده می شوند. حتی اگر سهم انرژی تجدید پذیر در مقایسه با تولید انرژی فعلی ما ناچیز باشد. با این حال، پیش بینی شده است که این فن آوری های جدید به ویژه باد و انرژی خورشیدی کمک قابل ملاحظه ای به انرژی نسل های آینده خواهند کرد.شکل1 این پیش بینی را نشان می دهد.
چون هدف از سلولهای خورشیدی، تبدیل انرژی نور به انرژی الکتریکی است. در اینجا به مختصری از عملکرد سلول می پردازیم. نور از فوتون ساخته شده است. فوتون حامل انرژی است که وابسته به رنگ، یا طولموج نور است. هنگامیکه فوتون باعث تحریک و انتقال الکترون از باند ظرفیت به باند هدایت در مواد نیمههادی میشود، انرژی الکتریکی تولید میشود.
هنگامیکه نور توسط ماده ای مانند فلز، جذب میشود، فوتون انرژی لازم برای حرکت الکترونها به طرازهای بالاتر انرژی را تأمین میکنند. بااین حال، الکترونهای آزاد به وضعیت انرژی اصلی خود باز می گردناند. در نیمههادیها، یک عدم تقارن ساختگی در - گاف - وجود دارد. این اجازه می دهد تا الکترونها قبل از آنکه به وضعیت انرژی اصلی خود بازگردند به یک مدار خارجی منتقل می شوند. انرژی الکترونهای آزاد یک اختلافپتانسیل ایجاد میکند. این نیروی الکتروموتیو الکترونها را از طریق یک بار در مدار خارجی برای انجام تحرک بهوسیله برق همراستا میکند.
شکل :1پیش بینی انرژی های آینده
به دلیل پاک بودن،فراوان بودن و قابل دسترس بودن منابع انرژی خورشیدی، تحقیق و چگونگی تولید انرژی بیشتر آن در آینده بسیار جذاب خواهد بود.
-2ساختار افزاره
سیلواکو، یک نرم افزار شبیه سازی جامع، بر اساس فیزیک ماده می باشد. به کمک این نرم افزار، تمام مراحل ساخت افزاره نیمه هادی و شبیه سازی مداری آن انجام می شود. از مزایای اصلی شبیه سازی بر اساس فیزیک ماده نسبت به مدل سازی عملی، می توان به دو مورد زیر اشاره نمود
-1شبیه سازی بر اساس فیزیک ماده، بسیار سریعتر و با دقت بیشتری نسبت به مدل سازی عملی انجام می شود.
-2بدست آوردن اطلاعات و اندازه گیری هایی که توسط مدل سازی عملی غیر ممکن و یا بسیار سخت می باشد، توسط شبیه سازی بسیار آسان می باشد.
شبیه سازی به کمک SILVACO، طی مراحل زیر انجام می شود:
-1 در ابتدا ، هندسه اولیه ساختار افزاره شبیه سازی می شود و ساختار مش بندی می شود.
-2 در مرحله بعد، فرایندهای - کاشت، زدایش، نفوذ و لایه برداری - شبیه سازی می شود.
-3 مدل های فیزیکی مورد استفاده قرار می گیرند.
سیلواکو چندین ابزار نرمافزاری برای انجام فرآیند و شبیهسازی قطعات دارد. از شکل2 ، دیده میشود که سیلواکو میتواند یک نرمافزار شبیهسازی قدرتمند ارائه کند.
شکل:2 محیط Virtual Wafer Fabrication سیلواکو
-3مدل شبیه سازی
این بخش، بخش اصلی و مهم شبیه سازی سلول و ساختار مد نظر ماست ، پس همانطور که در بخش قبلی گفتیم شبیه سازی با استفاده از نرم افزار سیلواکو انجام شده است . دراینجا لازم است ابتدا با خواص نیمه هادی کادمیوم تلوراید آشنا شویم و دلیل استفاده از این نیمه هادی را بیان کنیم. به طور مختصر برخی از ویژگی ها و کاربردهای آن به شرح ذیل است:
از ویژگی های آن، باند شکاف آن حدود 1,5 الکترون ولت است و تقریبا به گالیم آرسناید نزدیک است می تواند در کنار گالیم آرسناید قرار گیرد.
باند شکافی مستقیم دارد که حرکت الکترون ها از باند ظرفیت به باند هدایتی به خوبی انجام می شود و به انرژی کمتری نیاز است.
کادمیوم کاربردهای زیادی در صنعت دارد که یکی از مهمترین آنها در صنعت باتری سازی است. در سال 2009، %86 استفاده کادمیم در تولید باتریهای شارژی نیکل- کادمیم بوده. دیگر موارد کاربرد این فلز می توان به موارد زیر اشاره کرد:
* آبکاری الکتریکی کادمیم که در صنایع هوایی برای جلوگیری از زنگزدگی به کار گرفته می شود.
* در بعضی از نیمه رساناها همانند سولفید کادمیم، سلنید کادمیم و تلورید کادمیم بعنوان حسگر نوری یا سلول های خورشیدی استفاده می شود.
* در تولیدPVC بعنوان یک تثبیت کننده عمل می کند.
* در تولید رنگدانه ها: سولفید کادمیم در رنگدانه زرد ،سلنید کادمیم در رنگدانه قرمز استفاده می شود. این رنگدانه ها سمی بوده و در هنگام استفاده باید مراقب دست و پوست بوده تا جذب بدن نشود.
استفاده از تلورید کادمیوم در تولید فیلم نازک برترین تکنولوژی
ساخت فیلم نازک میباشد. در حدود 5 تولیدات PV جهانی، و بیش از نیمی از بازار فیلم نازک در دست این تکنولوژی میباشد. کارامدی آزمایشگاهی سلولی به صورت چشمگیری در طول سالهای اخیر افزایش یافته است و هم تراز با لایه نازک CIGS و نزدیک به کارامدی سیلیکون چند- کریستالی 2013 میباشد.
تلورید کادمیوم همچنین دارای کمترین میزان زمان برگشت انرژی نسبت به تمامی تکنولوژیهای تولید انبوه PV می باشد، و در موقعیتهای مطلوب میتواند به کوتاهی هشت ماه باشد.
در گزارش یک تولید کننده برتر، شرکت امریکای First Solar که در Tempe واقع در Arizona میباشد، پنلهای تلورید کادمیوم با 14درصد کارایی 0,59 دلار برای هر وات تخمین زده شده است. اگر چه نگرانی محیطی در خصوص سمی بودن کادمیوم را میتوان با بازیافت کادمیوم در انتهای دوره اش به صورت کامل برطرف کرد، هنوز تردیدهایی در خصوص این تکنولوژی وجود دارد و افکار عمومی دیدی شک گرایانه نسبت به ان دارند.
کاربرد مواد کمیاب نیز ممکن است مشکلی برای زیست پذیری اقتصادی تکنولوژی فیلم نازک کادمیوم باشد. فراوانی تلوریم، که تلورید فرم انیونی شده ان می باشد، قابل مقایسه با پلوتونیوم موجود در پوسته ی زمین میباشد و به صورت چشمگیری در هزینه ماژول نقش دارد. از آنجایی که در شبیه سازی ، ساختار را برای کاربردهای زمینی مورد استفاده فرض نمودیم، از طیف خورشیدی Am1.5 استفاده کرده ایم.
مدل استفاده شده ،روش srh fermi conmob optr auger bgn و روش حل معالات به روش گامل نیوتن انجام شده است.
-4نتایج و بحث ها
همانگونه که در شکل3 مشاهده می کنید، ساختار شبیه سازی یک سلول تک پیوندی کادمیوم تلوراید که شامل یک پیوندی pn است که بر روی کادمیوم تلوراید قرار گرفته است ضخامت پیوند nm 400 است به ترتیب با 1×1018 و 2×1017 دوپ شده اند وجهت نفوذ بهتر نور و فوتون ها در لایه های Window و BSF از یک ماده دیگر به نام CdS استفاده شده که به ترتیب با ناخالصی 5 ×1018 و ×1019 5 دوپ شده است و ضخامت آنها نیز 40 nm و 100nm در نظر گرفته شده است. زیر لایه که سلول ما بر روی آن قرارگرفته ضخامتی در حدود 500 nm دارد و از نوع p می باشد . شکل3 ساختار مورد نظر برای شبیه سازی را نشان می دهد.
شکل:3 ساختار مورد نظر
با شبیه سازی ساختار شکل3 ، مشخصه ولتاژ-جریان به صورت زیر بدست می آید که نشان می دهد که استفاده از CdS به علت وابستگی اتم های تقریبا یکسان با CdTe در لایه های window و BSF می تواند انتخاب خوبی برای استفاده از این نیمه هادی در این دو لایه باشد. با شبیه سازی می بینیم که ولتاژ مدار باز به 2,14 ولت رسیده و جریان اتصال کوتاه دارای مقدار 0,33 میکرو آمپر است.
شکل:5 ساختار مورد نظر با دوبل کردن لایه امیتر در سیلواکو
با شبیه سازی می بینیم که ولتاژ مدار باز به 2,15 ولت رسیده و جریان اتصال کوتاه دارای مقدار 0,35 میکرو آمپر است.
حال در این قسمت جهت مقایسه سلول کادمیوم تلوراید و گالیم آرسناید، به شبیه سازی سلول تک پیوندی گالیم آرسناید می پردازیم .
برای شروع ابتدا ساختار شکل 6 را که سلول خورشیدی گالیم آرسناید بر روی زیرلایه گالیم آرسناید است را شبیه سازی می کنیم.
شکل:6 سلول خورشیدی گالیم آرسناید بر روی زیرلایه گالیم آرسناید
