بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازی سلول های خورشیدی دو پیوندی GaInP/GaAs با پیوند تونلی
چکیده
با توجه با این که سلول های خورشیدی چندپیوندی بازده تبدیلی بالایی (درحدود 44/4 درصد) نسبت به دیگر انواع سلول های خورشیدی دارند ، امروزه مورد توجه مجامع علمی قرار گرفته اند و شرکت های بزرگ برای طراحی آنها با بازده بالاتر با یکدیگر به رقابت می پردازند . از آنجایی که شبیه سازی سلول خورشیدی چندپیوندی با ساختار یکپارچه بدون پیوند تونلی امکان پذیر نمی باشد ، در این مقاله به بررسی ساختار پیوند تونلی در سلول خورشیدی چندپیوندی پرداخته و مدل پیوند تونلی باند به باند غیر موضعی پرداخته می شود . در ابتدا با استفاده از نرم افزار اطلس سیلواکو این پیوند تونلی شبیه سازی شده و مدل قابل قبول با اطمینان بالا ارائه می گردد . سپس در مرحله دوم مدل سازی کامل سلول خورشیدی دو پیوندی انجام می گیرد . در این مقاله بر منحنی های بازده کوانتوم خارجی و منحنی جریان – ولتاژ در یک خورشید و منحنی مشخصه جریان – ولتاژ تاریکی تمرکز خواهیم کرد .
واژه های کلیدی : سلول خورشیدی چند پیوندی ˓ ساختار یکپارچه ˓ پیوند تونلی باند به باند غیرموضعی ˓ بازده کوانتوم خارجی ˓ منحنی جریان- ولتاژ تاریکی .
1
مقدمه
در سلول های خورشیدی چند پیوندی ارتباط بین هر یک از زیرسلول ها از طریق پیوند تونلی ممکن می شود . پیوند تونلی باید دارای مقاومت کمی باشد تا افت ولتاژ بین سلول ها را به حداقل برساند و همچنین باید دارای قابلیت انتقال نوری بالا باشد تا اتلاف جریان ناشی از جذب نور درون لایه های پیوند تونلی را حداقل سازد . در این پیوند الکترون ها بین سد پتانسیل شکل گرفته در سطح اینترفیس دو لایه تونل می زنند . الکترون ها هنگامی که انرژیی بیشتر از سد پتانسیل دارند از یک مانع باریک با انرژی ثابت عبور می کنند . هدف اصلی پیوند تونلی این است که مقاومت الکتریکی پایین و اتلاف کم بین دو زیر سلول بوجود آورد. [1] بدون پیوند تونلی ناحیه ناخالصی- p در سلول بالایی با ناحیه ناخالصیn – در سلول وسط با یکدیگر ارتباط برقرار می کند در آن صورت یک پیوند p-n با جهت مخالف بین دو سلول بالا و وسط بوجود می آید . در نتیجه سلول خورشیدی چندپیوندی بین لایه های n-p نیاز به اینترفیس دارند تا از تشکیل پیوند پارازیتی جلوگیری کند . با توجه به قرار گرفتن لایه ها بر روی یکدیگر ˓ برای جلوگیری از تشکیل پیوند پارازیتی از پیوند تونلی استفاده می شود . پیوند تونلی از یک پیوند p-n که با دوز بالا دوپ شده تشکیل می شود و بین دو لایه n-p به عنوان یک لایه عبوری و انتقالی قرار می گیرد . البته باید ذکر کرد که ساختار با پیوند تونلی در بایاس مستقیم افت ولتاژ کوچکتری نسبت به ساختار سلول بدون پیوند تونلی دارد . [2 ]
از آنجایی که شبیه سازی سلول خورشیدی چندپیوندی بدون پیوند تونلی امکان پذیر نمی باشد ، پس شبیه سازی رفتار پیوند تونلی با قابلیت بالا یک چالش بزرگ برای شبیه سازی این نوع از سلول خورشیدی محسوب می گردد . پس از شبیه سازی موفق پیوند تونلی به شبیه سازی سلول خورشیدی دو پیوندی GaInP/GaAs در زیر طیف خورشیدی AM1.5D و با شدت 1x می پردازیم . در شکل زیر نمایی از ساختار سلول خورشیدی دو پیوندی GaInP/GaAs شبیه سازی شده با لایه های مختلف را بصورت شماتیک مشاهده می کنید .
شکل (1) ساختار سلول خورشیدی دو پیوندی GaInP/GaAs شبیه سازی شده
شبیه سازی پیوند تونلی:
در این روش مدل تونلی باند به باند محلی از مقدار میدان الکتریکی در هر نود استفاده می کند تا نرخ تولید در همان نقطه را ارائه دهد.[3] با توجه به غیر موضعی بودن تونل زنی ، مش مستطیلی خاصی در اندازه نانومتر به مش معمول اطلس سیلواکو می افزاییم و مدل غیرموضعی را در این مش اعمال می کنیم. اطلس هر سطح از انرژی درون این محدوده را در نظر گرفته و نقطه شروع و پایان مکانی Xstart و Xend در همان سطح محاسبه می کنیم . در این مدل فرض می شود تونل زنی در یک بعد صورت گرفته و شبیه سازی را در جهت Y انجام می دهیم .
توزیع جریان تونل زنی، برای الکترون در محدوده انرژی به به صورت زیر است:
که k ثابت بولتزمن، q بار الکتریکی الکترون،T دما، ثابت پلانک کاهش یافته،( T ( E احتمال تونل زنی و m* جرم موثر و E g ارتفاع سد پتانسیل می باشد . EFl و EFr سطح فرمی در سمت چپ و راست پیوند تونلی می باشد . برای الکترون وحفره داریم :
توزیع جریان تونل زنی محاسبه شده و در مش از Xstart تا Xend اعمال می شود. که این کار برای تمامی محدوده مجاز انرژی تونل زنی صورت می پذیرد. این نرم افزار ابزارهای را برای اجرای معادلات احتمال تونل زنی بدون موضع و موضعی فراهم می کند، که برای مدل ارائه شد هیچ کدام بهتر از روش 1 WKB نمی باشد . [4 ] این شبیه سازی با استفاده از مدل پیوند تونلی ارائه شده برای GaAs با مقادیر زیر صورت می گیرد :
شبیه سازی سلول خورشیدی دو پیوندی : GaInP/GaAs
پس از شبیه سازی موفق پیوند تونلی به شبیه سازی کامل سلول خورشیدی دو پیوندی GaInP/GaAs می پردازیم . سلول خورشیدی دو پیوندی شبیه سازی شده لایه پوشش ضد انعکاس نداشته و یک سلول خورشیدی با کیفیت کم/ متوسط می باشد . برای این شبیه سازی به ناچار چندین لایه از این سلول برای نرم افزار تعریف شد ˓ زیرا اطلاعات لایه ها با ترکیب یکسان با طراحی این مقاله در SOPRA Database نرم افزار اطلس موجود نبود . از آنجایی که این سلول از چندین لایه با مواد تشکیل دهنده با باند گپ های مختلف بوجود آمده است ˓ با استفاده از نرم افزار GAIN تقریب دو باند را برای همترازی باند گپ در دو سلول انجام می دهیم . در جدول (2) مقادیر لایه ها با ترکیبات و ضخامت و غلظت های مختلف مشاهده می کنید.
جدول((2 مقادیر سلول دوپیوندی شبیه سازی شده
برای اختصاص مدل انتشار نور ˓ استفاده از روش ردیابی پرتو به علت نوسانات بازده کوانتوم سلول انتهایی توصیه نمی گردد . لذا در این شبیه سازی از روش ماتریس انتقال برای اختصاص مدل انتشار استفاده می شود . ماتریس انتقال یک روش سریع و دقیق برای شبیه سازی انتشار موج الکترمغناطیسی در سلول هایی با تعداد لایه های متوسط می باشد . سلول دو پیوندی GaInP/GaAs از نوسانات بازده کوانتوم سلول پایینی GaAs رنج می برد که این نوسانات بر اثر رزونانس حفره ای بین لایه BSF سلول بالایی GaInP و لایه پنجره ای در سلول پایینی GaAs اتفاق می افتد .[5] لذا در هنگام شبیه سازی در روشنایی ˓ پرتو منعکس شده در هر لایه به تعداد زیادی تقسیم شده و زمان شبیه سازی بصورت تصاعدی با تعداد انعکاس داخلی افزایش می یابد . تنها راه حل موجود برای این مشکل استفاده از روش ماتریس مشخصه یا ماتریس انتقال می باشد. [6 ]
نتایج شبیه سازی :
مطالعه روی منحنی جریان – ولتاژ تاریکی سلول خورشیدی GaInP/GaAs بسیار اهمیت دارد ˓ زیرا می توان پارامترهای بسیاری از آن استخراج کرد که نشان دهنده کارایی سلول خورشیدی در تمرکز بالا و پایین می باشد . در شکل 2 منحنی جریان – ولتاژ تاریکی سلول خورشیدی دو پیوندی GaInP/GaAs را مشاهده می کنید . منحنی جریان – ولتاژ تاریکی سلول مبتنی بر مدل الکتریکی سلول است که ورودی آن بدون نور می باشد .
شکل (2) شبیه سازی منحنی جریان – ولتاژ تاریکی سلول خورشیدی GaInP/GaAs
برای بدست آوردن منحنی جریان – ولتاژ روشنایی طیف AM1.5D را با شدت 1x به عنوان منبع نوری انتخاب شد . در شکل 3 طیف نوری AM1.5D که در شبیه سازی اعمال شده است را مشاهده می کنید . سپس شکل 4 شبیه سازی منحنی جریان – ولتاژ سلول خورشیدی GaInP/GaAs در زیر طیف AM1.5D را با شدت 1x نمایش می دهد . همان طور که مشاهده می کنید ˓ عدم تناسب در محدوده ولتاژ متوسط در شکل های 2 و 4 متفاوت می باشد . زیرا منحنی تاریکی جریان – ولتاژ تاثیر یک مقاومت موازی را نشان می دهد . این اختلافات ناشی از مدیریت تله ها در مدل تونلی می باشد . درجدول3 نتایج حاصل از شبیه سازی مانند Vmax ˓ Jmax ˓ VOC ˓ JSC و غیره به نمایش گذاشته شده است .
