بخشی از مقاله
خلاصه
سلول های خورشیدی فیلم نازک سیلیکون آمورف هیدروژنه دارای ضریب دمایی توان خروجی بهتری نسبت به سایر انواع سلول های خورشیدی هستند. در این مقاله برای دستیابی به راندمان توان خروجی بیشینه سلول خورشیدی در دماهای 50 تا 75 درجه سانتی گراد که به نحو مؤثری با شرایط تست استاندارد فاصله دارد، پارامترها و مواد متعددی برای یک ساختار p-i-n نمونه بررسی می شود.
به کمک شبیه سازی نقش جنس لایه ها و ضخامت و شکاف باند لایه جاذب در عملکرد سلول در این محدوده دمایی بررسی و ساختارهای بهینه برای سلول خورشیدی پیشنهاد می شود. برای مطالعه دقیقتر اثر دما بر عملکرد سلول، تغییرات دمایی پارامترهایی نظیر موبیلیتی و سرعت دمایی حامل ها، شکاف باندها و انرژی ارباخ دنباله های آنها، ضریب الکترون خواهی و گذردهی و چگالی مؤثر باندهای ظرفیت و هدایت برای هر سه لایه در شبیهسازی گنجانده می شود.
.1 مقدمه
سیلیکون عنصری فراوان در طبیعت است و 90 درصد بازار فتوولتاییک، متعلق به سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون است. [1] استفاده از لایه نازک سیلیکون آمورف هیدروژنه - a-Si:H - 1 بهجای ویفر سیلیکون کریستالی، هزینه راهاندازی اولیه ماژولهای فتوولتاییک را کاهش میدهد. این تنها یکی از مزایای a-Si:H برای تولید انرژی است. دمای یک ماژول فتوولتاییک در مناطق حارهای و استوایی میتواند به بالاتر از 70 درجه سانتیگراد برسد.[2]
برای سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون کریستالی با داشتن ضریب دمایی حداکثر توان خروجی - TCpmpp - 2 در محدوده - 0,3 تا -0,45 درصد بر درجه سانتیگراد [3]، این دما به معنای از دست رفتن یکپنجم توان نامی تعریفشده نسبت به شرایط تست استاندارد - STC - 3 است. سلولهای a-Si:H ضریب دمایی توان بهتری دارند و در بعضی از شرایط حتی مقادیر ضرایب دمایی مثبت و درنتیجه بالا رفتن توان خروجی ماژولهای a-Si:H با افزایش دما مشاهدهشده است.
[6-4] لایه جاذب a-Si:H ازنظر ضریب دمایی توان نسبت به همخانوادههای خود: سیلیکون کریستالی - c-Si - ، سیلیکون میکروکریستالی - ʽc-Si - ، سیلیکون پلیکریستالی - - poly-Si و آلیاژ سیلیکونژرمنیم - SiGe - عملکرد بهتری نشان داده است. 5]،7،[8 با توجه به اینکه گرم شدن هوا غالباً ناشی از افزایش توان نور دریافتی از خورشید است، داشتن راندمان تبدیل توان بهتر در دمای بالاتر برای استفاده حداکثری از انرژی خورشید اهمیت مضاعفی مییابد، ازاینرو برای استفاده در مناطق گرم سلولهای خورشیدی فیلم نازک a-Si:H گزینه مناسبی به نظر میرسند.
ازآنجاکه اغلب دادهها و شبیهسازیهای این قبیل از سلولها در شرایط تست استاندارد و دمای 25 œC انجامشده است در این مقاله سعی شده با جزئیات بیشتری زوایای مختلف کارکرد این سلولها در دماهای تا 75 œC بررسی شود، بدینصورت که لایه a-Si:H بهعنوان لایه جاذب در ساختار یک سلول ساده p-i-n بهکاربرده شده و عملکرد آن در محدوده دمایی 25 تا 75 درجه تحت تابش طیف AM1.5 با تغییر دادن پارامترهای مختلف به کمک شبیهسازی کامپیوتری بررسی میشود و نقش پارامترهایی مثل ضخامت و گاف باند لایه جاذب و جنس لایههای p و n در رفتار دمایی سلول موردمطالعه قرار میگیرد و درنهایت بهترین ترکیب برای آنکه سلول در دماهای بالاتر از 50 œC عملکرد بهتری داشته باشد انتخاب میگردد.
با توجه به محوریت دما در این تحقیق سعی شده است تغییرات دمایی تمام پارامترهای مهم سلول 36 - پارامتر - در شبیهسازی بهدقت لحاظ شود. ساختار سلول خورشیدی نمونه در شکل - 1 - نمایش دادهشده است. برای آنکه نقش دما و پارامترهای هدف را تغییرات سایر پارامترها تحتالشعاع قرار ندهد، در مراحل مختلف شبیهسازی ضخامت لایهها بهجز لایه i ثابت نگهداشته شد، غلظت نواحی p و n معادل یکپنجم چگالی مؤثر باندهای ظرفیت و هدایت در نظر گرفته شد و سطوح لایهها صاف - بدون آج - تعریف گردید.
.2 شبیهسازی
شبیهسازی کامپیوتری به کمک یک ابزار برنامهنویسی شده در کنار نرمافزار AFORS-HET انجام شد. نرمافزار AFORS-HET ابزاری برای شبیهسازی یکبعدی و دوبعدی سلولهای خورشیدی با ساختارهای همگون و ناهمگون است [9] و امکانات لازم برای رصد کردن نقش تغییرات موازی پارامترهای مختلف ساختاری و محیطی در مشخصات نهایی سلول خورشیدی را در خود جا داده است.
این نرمافزار از مدل دیفکت پول[10] - DPM - 4 برای تحلیل لایههای آمورف استفاده میکند و با قابلیت تعریف و ویرایش نقصهای نمایی، گاوسی، خطی و نقطهای که برای لایهها در اختیار کاربر میگذارد این امکان را میدهد که بتوان سلول را وضعیتهای تازهنشانده5 و نور خورانده6 تحلیل کرد. نقصهای میانه باند7 که در مدل دیفکت پول معمولاً با توابع گاوسی مدل میشوند ناشی از پیوندهای آویزانی8 هستند که به دلیل خروج هیدروژن از فیلم، وجود زنجیرههای پلیمری و وجود ناخالصیهایی مثل اکسیژن و کربن شکل میگیرند.[11]
شکل -2 نمودار مدل نقص استفادهشده برای لایه جاذب. رنگ قرمز برای نشان دادن ترازهای شبهپذیرنده و رنگ آبی برای ترازهای شبهدهنده بهکاررفته است. خطوط پیوسته وضعیت تازهنشانده، نقطهچینها وضعیت زوال یافته و خطچینها مجموع کل نقصها را نشان میدهد. برای آنکه تغییر رفتار سلولهای خورشیدی با تغییر دما به شکل دقیقتری مطالعه شود پارامترهایی نظیر الکترونخواهی10 e - - ، گذردهی نسبی - r - ، Nc و Nv، موبیلیتی الکترون و حفره، شکاف باند، سرعت حرارتی الکترون و حفره، و انرژی ارباخ11 دنباله باندهای ظرفیت و هدایت برای هر سه لایه نیمههادی به شکل دنبالههای حسابی یا هندسی وابسته به دما تعریف شدند.
