بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک ساختار جدید برای سلول خورشیدی لایه نازک CIGS پیشنهاد می گردد. طراحی و شبیه سازی این تحقیق با استفاده از نرم افزار SCAPS-1D انجام گردیده است.محاسبات و شبیه سازی انجام گرفته نشان می دهد که با اضافه نمودن یک لایه SnSبه یک سلول خورشیدی لایه نازک CIGS متداول که در آن یک لایه CdS با ضخامت 10nm به عنوان لایه بافر یک لایه ZnO با ضخامت 10nm به عنوان لایه پنجره و یک لایه CIGS با ضخامت 1um به عنوان لایه جاذب در نظر گرفته شده، به طور کلی عملکرد سلول بهبود پیدا می کند و به راندمان تبدیل بالاتری دست پیدا میکنیم.
مقادیر بهینه ضخامت لایه های جاذب برای رسیدن به بهترین عملکرد، در حالت بدون لایه SnS و با اضافه نمودن لایه SnSتعیین گردیده است . مشاهده می گردد که در سلول پیشنهادی به راندمان تبدیل =27.32% چگالی جریان اتصال کوتاه Jsc=36.69mA/cm2،ولتاژ مدار باز Voc=0.86 V و% F.F=85.6 دست پیدا میکنیم که نسبت به سلول خورشیدی لایه نازک CIGS متداول بهبود چشمگیری حاصل گردیده است.
.1 مقدمه
آلودگی های زیست محیطی ناشی از سوزاندن سوختهای فسیلی و از طرف دیگر تقاضای روزافزون برای انرژی ارزان موجب شد تا به منظور تولید الکتریسیته از منابع انرژی تجدیدپذیر بهره برداری شود، از این رو طراحی سلول های خورشیدی با هزینه کم و بازده بالا دارای اهمیت می باشد سلول های خورشیدی لایه نازک به ویژه سلول های خورشیدیCu - In,Ga - Se هزینه ساخت بسیار کمتری نسبت به سلول های خورشیدی سیلیکونی دارند. زیرا تولید سریع و پربازده آنها با بکارگیری کمترین مواد اولیه صورت می پذیرد.
همچنین این نوع سلولهای خورشیدی انعطاف پذیر می باشند و بر روی سطوح غیرمسطح قابل نصب هستند. ماده CIGSیکی از مواد مطلوب جهت استفاده به عنوان لایه جاذب در سلولهای خورشیدی لایه نازک می باشد. CIGSیک ماده دارای گاف انرژی مستقیم می باشد که گاف آن بر اساس نسبت ترکیب گالیم از Eg=0.98eV تا Eg=1.68eV تغییر می یابد.[1] بازده این نوع سلولهای خورشیدی در عمل حدود %20 گزارش شده است
لایه جاذب CIGS امروزه با ضخامتی حدود ʽm - 2-1 - مورد استفاده قرار می گیرد که به دلیل گران بودن مواد به کار رفته در این ساختار جهت صرفه جویی در هزینه و مواد ،مطلوب است که بتوان ضخامت این ماده را کمتر نمود 4]،.[3 از طرفی سولفید قلع - SnS - یک ماده غیر سمی و ارزان است که در طبیعت به وفور یافت می شود و به دلیل دارا بودن گاف انرژی مستقیم در محدوده Eg= - 1.1-1.4 - eV و همچنین ضریب جذب بالای حدود 105 cm-1 جهت کاربردهای فوتوولتاییک و استفاده به عنوان لایه جاذب گزینه مناسبی محسوب می شود
هدف کلی این کار بهبود عملکرد سلول خورشیدی لایه نازک CIGS می باشد . بدین منظور ابتدا یک سلول خورشیدی لایه نازک CIGS متداول با ساختار Zno/CdS/CIGS/Mo که در شکل -1 - الف - نشان داده شده ،در نظر گرفته شد و تأثیر افزایش ضخامت لایهCIGS در عملکرد سلول بررسی گردید.
پس از آن جهت بهبود عملکرد سلول خورشیدی لایه نازک CIGS ساختار Zno/CdS/CIGS/SnS/Mo که در شکل -1 - ب - نشان داده شده است در نظر گرفته شد و رفتار سلول به ازای تغییر ضخامت لایهCIGS و همچنین تغییر ضخامت لایهSnSمورد بررسی واقع شد و مشاهده شد با اضافه نمودن لایهSnSبا ضخامت مناسب عملکرد سلول به طور قابل توجهی بهبود پیدا می کند.
کلیه محاسبات و شبیه سازی ها در این تحقیق به وسیله نرم افزار SCAPS-1D که یک نرم افزار تخصصی در زمینه شبیه سازی سلول های خورشیدیخصوصاً سلولهای لایه نازک CIGS و CdTe می باشد انجام گردیده است. 6]،[5 جهت اطمینان از صحت شبیه سازی انجام شده، در ابتدا به پیاده سازی مجدد کار انجام شده در مرجع [7] پرداخته شد و نتایج مشابهی حاصل شد.
شکل -1 الف - : ساختار متداول سلول خورشیدیCIGS ب - : ساختار پیشنهادی با افزودن لایهSnS
.2شبیه سازی سلول خورشیدی لایه نازک CIGS متداول
هدف از این تحقیق ارایه یک سلول خورشیدی لایه نازک CIGS با راندمان تبدیل بالا به همراه کم کردن ضخامت لایه جاذب CIGS می باشد. همانطور که می دانیم در عملکرد یک سلول خورشیدی پارامترهای مختلفی تأثیرگذارند از جمله گاف انرژی مواد - Eg - ، چگالی ناخالصی، ضخامت و... .[8] جدول شماره - 1 - مقادیر پارامترهای فیزیکی مواد به کار رفته در سلول خورشیدی لایه نازک ارائه شده در این مقاله را نشان می دهد.
جهت بررسی تأثیر ضخامت لایه جاذب CIGS در خصوصیات فوتوولتاییک سلول، ابتدا در سلول خورشیدی لایه نازک متداول ارائه شده در - شکل -1الف - ضخامت CIGS را از 0.3ʽm تا 1ʽm تغییر می دهیم که نتایج حاصل در شکل - 2 - نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می گردد ولتاژ مدار باز - Voc - ، چگالی جریان اتصال کوتاه - Jsc - و راندمان تبدیل - - با افزایش ضخامت لایه جاذب افزایش می یابند. به طوری که در ضخامت لایه جاذب 0.3ʽm راندمان تبدیل%11.47 بدست می آید و با افزایش ضخامت تا 1ʽmراندمان تبدیل به %17.68 می رسد.
این افزایش راندمان تبدیل به دلیل افزایش لایه جاذب CIGS نوع P در سلول می باشد که باعث می شود فوتونهای بیشتری در لایه جاذب، جذب شوند
جدول : - 1 - پارامترهای بکار رفته در شبیه سازی سلول خورشیدی لایه نازک[5,7,8,9,10]. CIGS
