بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله ساختار جدیدی از سلولهای خورشیدی سیلیسیوم ژرمانیوم با پیوند ناهمگون ارائه شده است. هدف از این مقاله ارائه ساختار نوین در جهت بهبود ساختار متداول و مقایسه پارامترهای دو ساختار میباشد. ساختار ارائه شده شامل نواحی تنش دار در ناحیه فعال سلول وهمچنین افزایش تدریجی ژرمانیوم در لایه جاذب سلول میباشد. هر چهار پارامتر عملکرد شامل جریان اتصال کوتاه، ولتاژ اتصال باز، ضریب پرشدگی و بازدهی در سلول پیشنهادی در مقایسه با سلول اولیه بهبود یافته است. در این مقاله با فهم دقیق مکانیزم های حاکم بر عملکرد سلول، موفق به طراحی سلول با بهبود % 4/5 بازدهی شده ایم .
-1 مقدمه
عملکرد سلولهای خورشیدی لایه نازک سیلیسیومی در سال های اخیر پیشرفت قابل ملاحظهای داشته است تکنولوژی پیوندهای ناهمگون یکی از مسائل کلیدی در بهبود عملکرد سلولهای لایه نازک سیلیسیومی میباشد
ترکیب ژرمانیوم با سیلیسیوم ماده فوتوولتاییک مناسبی برای سلول خورشیدی لایه نازک است
اضافه نمودن نیمه هادی ژرمانیوم با شکاف باند کوچکتر ژرمانیوم در سیلیسیوم به منظور جذب بیشتر طیف نور خورشید، روشی موثر برای افزایش جریان اتصال کوتاه و بهبود بازدهی سلول به خصوص در سلول-های لایه نازک می باشد
بنابراین برای افزایش بازدهی و همچنین کاهش هزینه ها در تولید سلولهای لایه نازک از ماده فوتوولتاییک سیلیسیوم ژرمانیوم استفاده میشود .[8] اما متاسفانه استفاده از سیلیسیوم ژرمانیوم با شکاف باند کوچکتر منجر به افزایش جریان تاریک وکاهش ولتاژ مدار باز میشود [9]،که میتوان غلظت ژرمانیوم را در سیلیسیوم را کاهش داد تا تاثیر آن بر روی ولتاژ مدار باز کاهش یابد.
علاوه بر آن تنش ایجاد شده بین سیلیسیوم و سیلیسیوم ژرمانیوم نیز منجر به کوچکتر شدن شکاف باند و در نتیجه جذب طیف وسیع تری از نور خورشید میگردد که به بهبود جریان اتصال کوتاه کمک شایانی میکند. هنگامی که سیلیسیوم ژرمانیوم بر روی سیلیسیوم قرار میگیرد به دلیل عدم مطابقت ساختار شبکه ای دو ماده ، سیلیسیوم تغییراتی در ساختار داخلی شبکه سیلیسیوم ژرمانیوم ایجاد شده که منجر به کاهش شکاف باند میگردد. بیشترین تاثیر تنش بر روی باند ظرفیت میباشد که باعث ایجاد خمش بزرگتری در این باند نسبت به باند هدایت میگردد.
این خمش کوچکتر شدن شکاف باند را به دنبال دارد. گرچه کم شدن شکاف باند انرژی، منجر به افزایش جریان اتصال کوتاه میگردد، اما از طرفی باعث کاهش ولتاژ مدار باز میشود که مطلوب نیست. میتوان با مهندسی شکاف باند انرژی و پلهای نمودن آن، به جداسازی الکترون و حفره در کل لایه جاذب کمک کرد. بنابراین در این سلولها نه تنها ناحیه تخلیه در پیوند اصلی بلکه این میدانهای الکتریکی ایجاد شده نیز به جمع آوری الکترون و حفره کمک میکنند. بنابراین حاملها قبل از بازترکیب، توسط این میدانهای داخلی از هم جدا شده که منجر به بهبود ولتاژ مدار باز سلول میگردد.
در این مقاله به طراحی یک ساختار جدید برای سلول سیلیسیوم ژرمانیوم میپردازیم و پارامترهای آن را از جمله جریان اتصال کوتاه، ولتاژ مدار باز، ضریب پر شدگی و بازدهی سیلیسیوم را با سلول مرسوم سیلیسیوم ژرمانیوم مقایسه می نماییم . در ابتدا به معرفی ساختار سلول مرسوم میپردازیم، سپس ساختار پیشنهادی را ارائه نموده و با استفاده از مکانیزم های فیزیکی و الکتریکی حاکم بر سلول، به مقایسه مشخصات ساختار میپردازیم.
-2 ساختار سلول اولیه و ساختار طراحی شده
شکل 1 که ساختار اولیه سلول سیلیسیوم ژرمانیوم را نشان میدهد.[11] این ساختار و ساختار پیشنهادی در نرمافزار اطلس شبیهسازی شده است.
در این ساختار از لایههای سیلیسیوم کریستالی ذاتی بین لایه های سیلیسیوم ژرمانیوم، برای ایجاد تنش و در نتیجه افزایش جریان اتصال کوتاه استفاده میشود. برای جلوگیری از کاهش ولتاژ مدار باز در قبال استفاده از ماده با شکاف باند انرژی کمتر، غلظت ژرمانیوم را در لایههای Si1-xGex کاهش میدهیم تا شکاف باند انرژی به سمت انتهای سلول افزایش یابد.
شکل - : - 1 ساختار اولیه سلول سیلیسیوم ژرمانیوم
شکل - : - 2 ساختار پیشنهادی برای سلول ناهمگون سیلیسیوم ژرمانیوم.
دیاگرام باند انرژی سیلیسیوم ژرمانیم - سیلیسیوم نشان داده سیلیکون آمورف نوع n با چگالی 1019cm-3، یک لایه سیلیکون آمورف ذاتی با ضخامت 5 نانومتر، لایه 1 نانومتری کریستالی شده است. ناحیه فعال سلول از ماده سیلیسیوم ژرمانیوم تشکیل شده است که با شکاف انرژی کم به افزایش جریان اتصال کوتاه ذاتی تنش دار که برای بهبود مرز بین سیلیسیوم و سیلیسیوم کمک میکند.
ژرمانیوم قرار گرفته، لایه سیلیسیوم ژرمانیوم نوع p با غلظت در شکل 4 دیاگرام باند انرژی ساختار طراحی شده نشان ژرمانیوم 40% با چگالی 1016cm-3 با ضخامت 8 میکرومتر، لایه سیلیسیومی با ضخامت 10 میکرومتر از نوع p با چگالی cm-3 داده شده است.
در ساختار پیشنهادی نیز از ماده سیلیسیوم 1019 که به عنوان زیر لایه و برای اتصال بهتر ساختار با الکترود ژرمانیوم بعنوان ماده فعال استفاده میشود. اما با کاهش غلظت زیری قرار گرفته و در تولید حامل ها مشارکت نمیکند و در ژرمانیوم به سمت انتهای سلول، شکاف باند انرژی به تدریجی افزایش یافته و دیاگرام باند انرژی بصورت پلهای میگردد که انتهای سلول الکترود پشتی از جنس نقره میباشد.ساختار منجر به کاهش بازترکیب و درنتیجه بهبود ولتاژ مدار باز میشود.
پیشنهادی در شکل 2 نشان داده شده است. برای مشخص شدن در شکل 4 در باند ظرفیت بین لایههای سیلیسیوم ژرمانیوم چاه نواحی جدا شده منطقه فعال بزرگ تر و ناحیه زیرلایه کوچکتر پتانسیلی نسبت به باند هدایت مشاهده می شود که ناشی از اثر نشان داده شده است. در هر دو ساختار نواحی فعال و زیر لایه تنش بین لایه های سیلیسیوم ژرمانیوم و سیلیسیوم میباشد.
ساختار با هم مقایسه میکند. نمودار ممتد بیانگر مشخصه ساختار اولیه و نمودار خط چین مشخصه جریان ولتاژ ساختار طراحی شده در این مقاله را نشان میدهد. همانطور که در این شکل مشخص است، در ساختار پیشنهادی هم جریان اتصال کوتاه و هم ولتاژ مدار باز بهبود یافته است.
شکل - - 3 الف : دیاگرام باند انرژی ساختار اولیه.
شکل - - 3 ب : دیاگرام باند انرژی سیلیسیم و سیلیسیوم ژرمانیوم.
شکل - : - 4 دیاگرام باند انرژی ساختار پیشنهادی
شکل 5 نمودار چگالی جریان بر حسب ولتاژ را برای دو
شکل - : - 5 نمودار چگالی جریان بر حسب ولتاژ برای ساختار اولیه سیلیسیوم ژرمانیوم و ساختار طراحی شده.
جدول 1، چهار پارامتر اصلی را برای ساختار اولیه و ساختاری که طراحی نمودیم را با هم مقایسه میکند. در ساختار جدید، ولتاژ اتصال کوتاه به میزان 1100 میلی ولت، جریان اتصال کوتاه به میزان 4/2 میلیآمپر، ضریب پر شدگی % 5/7 و سرانجام بازدهی کل سلول به میزان % 4/3 بهبود یافته است که بسیار قابل ملاحظه میباشد.
جدول - : - 1 مقایسه پارامترهای ساختار اولیه و ساختار پیشنهادی.
-4 نتیجهگیری و جمع بندی
سلولهای خورشیدی با پیوند ناهمگون سیلیسیوم ژرمانیوم یکی از سلولهای لایه نازک سیلیسیوم میباشدکه با استفاده از ماده سیلیسیوم ژرمانیوم با شکاف باند انرژی کوچکتر از سلیسیوم جریان اتصال کوتاه در آن بهبود یافته است.
