بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله تاثیر تله های نوری بر عملکرد سلول های خورشیدی لایه نازک سیلیکانی مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور بررسی رفتار انتشار نور در سلولهای خورشیدی و تایید عملکرد تلههای نوری در بازدهی سلولهای خورشیدی، مدلسازی در فضای سه بعدی، بر مبنای تداخل امواج الکترومغناطیسی انجام شده است . بدین منظور ساختارهای مختلف تلههای نوری با ابعاد نانومتر در سلول لایه نازک سیلیکانی طراحی شده است. از بین طرحهای پیشنهادی، کارآمدترین ساختار به منظور ورود بیشتر نور به داخل سلول، انتخاب شده، سپس پارامترهای فیزیکی از جمله ابعاد در این ساختار بهینه، مورد مطالعه قرار داده میشود.
.1 مقدمه
ماریو مولینا ٌ و رابرت تامسونٍ در مورد تلههای نوری در شبکه فوتونی لیبَ تحقیق کردهاند.[3-1] آنها نشان دادهاند که نور با یک فرکانس معین میتواند در یک جایگاه شبکهای وارد شده و باقی بماند؛ بدون آن که به جایگاههای مجاور نفوذ کند. نتایج این تحقیقات، روشهایی را برای به دام انداختن امواج الکترومغناطیسی یا طراحی تله های نوری پیشنهاد میدهد.
از آنجایی که سرعت حرکت امواج الکترومغناطیسی بالا می باشد، به دام انداختن آنها کار آسانی نیست. میتوان از ویژگی تداخل برای محدود ساختن آنها استفاده نمود.
اگر ساختاری که امواج در آن منتشر میشوند به گونهای مناسب طراحی گردد، تلهی موج میتواند با استفاده از اثرات تداخلی امواج را به دام اندازد. کنترل مسیر انتشار نور و سرعت امواج در مواد فوتونی با استفاده از ویژگی تداخل، به دام انداختن امواج در تله های نوری نامیده می شود. امروزه طراحی این تلهها، در افزارههای الکترونیک نوری موضوع مورد توجه محققین به شمار می رود.[4] طراحی تلههای نوری در افزارههای الکتریکی از جمله حسگرهای فوتونی، پردازش سیگنالهای نوری، افزاره-های نوری غیرخطی، میکرولیزرها و سلول های خورشیدی منجر به افزایش بازدهی می گردد.
در سلول های خورشیدی لایه نازک سیلیکانی - 4TSFC - ، به منظور افزایش جذب نور در لایه جاذبِ، نیاز است که نور به صورت موثر به دام انداخته شود تا بازدهی به طور قابل ملاحظه ای افزایش یابد.
تاکنون ساختارهای متفاوتی برای تلههای نوری ارائه شده است. در سال 2005 آقای هاسّ ساختاری ارائه کرد که شامل یک شبکه کوپل کننده در سطح سلول میباشد.در سال 2011 آقای زمانْ با استفاده از لایههای غیرهمشکل، تلههای نوری با شبکههای متناوب برای سلول های لایه نازک سیلیکانی ارایه نمود.[8] بعد از آن آقای دوانَ در سال 2014، سلولهای لایه نازک سیلیکانی با تلههایی با ساختار رندومی را تجزیه و تحلیل نمود.
فرورفتگیها و برآمدگیها در مقیاس نانو به صورت رندومی در سطح سلولهای خورشیدی آرایش ویژهای از تلههای نوری می باشند[10]، این ساختار از انعکاس نور برخوردی جلوگیری نموده و نور را در سطح سلول به دام میاندازند و چگالی نور ورودی به داخل سلول را افزایش میدهند.
در این مقاله، ساختارهای متفاوتی برای تلههای نوری ارائه نموده و عملکرد آنها را با هم مقایسه مینماییم تا بهینه ساختار را به منظور به دام انداختن بیشتر نور، در سطح سلول طراحی نماییم. در این ساختار بهینه، تاثیر پارامترهای هندسی از جمله ارتفاع و عرض تلههای نوری را مورد مطالعه قرار می دهیم.
مطالعه و شبیهسازی سلول های خورشیدی با نرم افزار
CST - Computer Simulation Technology - انجام شده است. تجزیه و تحلیل تمام موج روی ساختار سلول، از روش تفاضل محدود در حوزه زمان انجام شده است. به منظور محاسبه شدت نور در سلولهای خورشیدی لایه نازک، معادلات ماکسول توسط شبیهساز حل میگردد. این فرآیند برای پیشبینی چگالی جریان نوری سلولهای لایه نازک به کار میرود.
.2 بحث و نتایج
شکل1، ساختار سلول واحدی که به عنوان پایه درنظر گرفته شده است، را نشان میدهد. سایر ساختارهای پیشنهادی با این ساختار مقایسه میگردند. ضخامت کل سلول1700نانومتر و عرض و پهنای آن565/69 نانومتر میباشد. ساختار سلول مورد بررسی دارای چهارلایه به صورت زیر می باشد:
شکل2 مدلهای هندسی مختلف که منظور ایجاد تلههای نوری طراحی شدهاند را نشان میدهد.
شکل-2الف، ساختار پایه بدون تله نوری میباشد، سایر ساختارهای پیشنهادی با ساختار پایه مقایسه می گردند. ساختار پیشنهادی اول ساختار با تله نوری کروی شکل، میباشد - شکل - ب - - . ساختار پیشنهادی دوم در شکل - -2ج - ، تلههای دامی هرمی میباشد و ساختار پیشنهادی در شکل - -2د - ، ساختار با تله ی دامی هرم های ریز می باشد.
شکل3 توزیع میدان الکتریکی را در چهار ساختار مختلف با هم مقایسه میکند. با مقایسه میدان الکتریکی در شکل3 - الف - و - ب - ، میتوان دید، میدان الکتریکی در لایه جاذب سیلیکانی در ساختار کروی نسبتا قوی میباشد، زیرا امواج الکترومغناطیسی
شکل :1 ساختار سلول خورشیدی لایه نازک سیلیکونی - ساختار پایه -
شکل :2 ساختارهای متفاوت تلههای نوری - الف - ساختار پایه، - ب - ساختار کروی، - ج - ساختار هرمی - د - ساختار با هرمهای ریز نور درون لایه جاذب تداخل سازنده داشته و در این ماده جذب نمیشوند.
شکلهای3 - ج - و - د - نشان میدهند، در ساختارهای هرمی، شدت میدان الکتریکی در داخل لایه جاذب به شدت کاهش یافته است زیرا امواج تداخل مخرب داشته و گویی قسمت اعظم امواج در این لایه جذب شده اند.
پس در ساختارهای پیشنهادی، ساختار با تله دامی کروی دارای کمترین جذب و ساختار با تله های دامی با هرم های ریز دارای بیشترین جذب در لایه جاذب سیلیکانی می-باشند.
برای افزایش جذب نور در لایه جاذب سیلیکانی، پراکندگی موثر نور ورودی باید افزایش پیدا کند. منحنی های تلفات توان در شکل4، پراکندگی موثر نور را نشان میدهند. همان گونه که شکل4 نشان میدهد، ساختار کروی نسبت به ساختارهای دیگر، در طول موج650 نانومتر پراکندگی موثر کمتری دارد، زیرا کروی نمودن سطح سلول باعث میشود زاویه نور برخوردی از زاویه حد بیشتر شده و در نتیجه انعکاس کلی افزایش یابد و چگالی نور کم تری به دام بیافتد. در نتیجه چگالی نور جذب شده در لایه جاذب کاهش مییابد. درحالیکه با ایجاد تلههای هرمی، زاویه برخوردی کوچکتر از زاویه حد شده و نور تابیده بدون هیچ انعکاسی وارد لایه سیلیکان میشود و در نتیجه چگالی نور بیش تری به دام افتاده و جذب نور در لایه جاذب سیلیکان افزایش مییابد.
شکل: 4 توان تلفاتی نور با طول موج650 نانومتر در درون سلولهای مختلف - الف - ساختار پایه - ب - ساختار کروی - ج - ساختار هرمی - د - ساختار با هرم های ریز.
یکی از پارامتر های مهم در عملکرد سلولهای خورشیدی، بازده کوانتومی سلول میباشد. بازده کوانتومی بیانگر نسبت توان جذب شده به توان تابشی میباشد. شکل5 نمودار بازده کوانتومی را برای چهار ساختار پیشنهادی نشان میدهد. با محاسبه سطح زیر نمودار بازدهی کوانتومی میتوان چگالی جریان اتصال کوتاه سلولها را محاسبه نمود.
شکل6 چگالی جریان اتصال کوتاه را برای این ساختارهای پیشنهادی با هم مقایسه میکند. همانگونه که در شکل6 مشاهده میگردد، بیشترین چگالی جریان مربوط به ساختار با هرم های ریز میباشد.
شکل : 3 توزیع میدان الکتریکی نور با طول موج650 نانومتر، در درون سلول-های مختلف - الف - ساختار پایه - ب - ساختار کروی - ج - ساختار هرمی - د - ساختار با هرم های ریز.
