دانلود مقاله طراحی یک سلول خورشیدی با استفاده از ساختار گریتینگ

بخشی از مقاله

.1مقدمه

رشد مداوم مصرف انرژی و رو به اتمام بودن سوخت های فسیلی و مشکلات محیط زیستی آنها موجب می شود تا بشر به دنبال منابع انرژی تجدیدپذیر باشد که انرژی خورشیدی مناسب ترین گزینه در این زمینه است و در راستای تلاش برای بهبود بازده سلول های خورشیدی توجه زیادی به این امر شده است تا هزینه سلول برای کاربرد های گسترده کاهش یابد . [1] در حال حاضر، در دنیا توجه زیادی به تحقیقات در عرصه سلول های خورشیدی از جمله سلول های خورشیدی سیلیکونی صورت می گیرد و کاربرد های زیادی برای آنها وجود دارد. کشور ما ایران در یکی از بهترین مناطق دنیا از نظر تابش خورشید قرار دارد. به عبارت دیگر، ایران آنقدر از خورشید انرژی دریافت می کند که می تواند علاوه برتامین نیازهای خود، به صادرات انرژی به کشورهای همسایه نیز اقدام کند. بنابرین تحقق در این زمینه در کشورمان از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است که نمی توان از آن چشم پوشی کرد.

سلول های فتو ولتائیک از مواد ویژه ای ساخته شده اند که آنها را semiconductor یا نیمه رسانا می نامیم. از این مواد می توان به سیلیکون اشاره کرد که اکنون بسیار پرکاربرد است. در اصل هنگامی که نور با سلول برخورد میکند، مقدار مشخصی از آن توسط مواد نیمه رسانا جذب می شود. این یعنی انرژی جذب شده از نور به نیمه رسانا منتقل می شود. انرژی به الکترون های سست ضربه می زند و اجازه می دهد که آنها آزاد شده و به گردش در

.1 گروه برق،واحدتبریز،دانشگاه آزاد اسلامی،تبریز،ایران

.2 گروه فوتونیک،واحد تبریز،دانشگاه سراسری،تبریز،ایران

آیند.[2]به سه دلیل عمده، بهره گیری از انرژی خورشید در تولید برق، در هزاره ی سوم، به صورت جدی تری در دستور کار بسیاری از کشورهای پیشرفته ی صنعتی قرار گرفته است. پیش از همه، این فناوری، فاقد هر گونه آلودگی بوده و هیچ پیامد زیست محیطی خاصی را به دنبال ندارد. دوم، سلول خورشیدی فاقد قطعات و ساز و کارهای مکانیکی اند وبه این لحاظ، عملکرد آن ها با حداقل فرسایش و استهلاک همراه بوده و نیازی به تعویض و سرویس های منظم و دوره ای ندارند و بالاخره، ذخایر سوخت های فسیلی جهان به سرعت رو به اتمام است و براساس گزارش های مختلف، در یک قرن آینده و به تدریج به اتمام می رسند.[3]

.2 سلول خورشیدی لایه نازک

سلولهای خورشیدی لایه نازک بیش از 20 سال تحقیق و توسعه، شروع به گسترش نمودند. لایه نازکها به طور قابل ملاحظهای در هزینه تولید الکتریسیته نسبت به ویفرهای سیلیکونی کاهش ایجاد نمودند.

شکل:1 بازده سلولهای خورشیدی با تکنولوژی لایه نازک

از مزایای این روش قیمت تمام شده کم, حجم کم و قابلیت انعطاف زیر لایه می باشد و معایب آن کم بودن راندمان می باشد. سلولهای خورشیدی لایه نازک سیلیکونی بازده تبدیل توانی حدود 20 درصد را دارا میباشند.[4]

شکل : 2 نمای کلی از ساختار سلول خورشیدی لایه نازک

.3 معادلات حاکم بر سلول های خورشیدی

در زیر ابتدا معادلات حاکم بر سلول های خورشیدی را به صورت تک بعدی بیان می کنیم و همچنین روش های حل آنها را توصیف خواهیم نمود. عموما، برای بررسی یک سلول خورشیدی معادلات پواسون و انتقال (معادلات پیوستگی) برای الکترون و حفره را حل می کنند.[5]

×معادله پواسون:
(1)× ( )] ( ) ( ) [ ( )

(2)× ( ) ( )

×معادلات پیوستگی جریان

(3) ( ) ( )
( ) و( ) که با میدان الکتریکی و تعداد حامل ها رابطه زیر دارند:
(4) ( ) ( ) ( )

( )
(5)× ( ) ( )


×با تلفیق این دو معادله در معادلات پیوستگی به دو معادله زیر می رسیم:
(6) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )
(7)× ( ) ( ) ( ) ( )

×
جدول :1 پارامترهای به کار رفته در معادلات حاکم
×ردیف ×نام پارامتر ×نماد پارامتر

1× ×بار ااکترون q

2× ×ضریب دی الکتریک ×
3× ×چگالی دهنده ×
4× ×چگالی پذیرنده ×
5× ×چگالی حفره p
6× ×چگالی الکترون
n
7× ×پتانسیل الکتریکی
v
8× ×میدان الکتریکی
E

9× ×چگالی جریان الکتریکی الکترون ها ×
10× ×چگالی جریان الکتریکی حفره ها
11× ×قابلیت تحرک الکترون ×
12× ×قابلیت تحرک حفره
13× ×نرخ تولید G(x)
14× ×نرخ باز ترکیب
R(x)

15× ×ضریب نفوذ الکترون ×
16× ضریب نفوذ حفره ×

( )

( ) ( )
( )
( )

.4ابزار مورد استفاده جهت شبیه سازی

در سلول فتوولتاییک پارامتر کلیدی PCE مشخص کننده بازده تبدیل توان است PCE نسبت ماکزیمم توان قابل دستیافت خروجی به توان نور ورودی است. دراین مقاله ما به بررسی مشخصه نوری و جذب ساختار گریتینگ در لایه های سلول خورشیدی پرداخته ایم و تاثیر ساختار گریتینگ روی افزایش و گسترش طیف جذب مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. که هدف از ارزیابی افزایش PCE ، Voc، Isc سلول است و این پارامترها را با نتایج شبیه سازی و تجربی دیگرساختارها مقایسه خواهیم کرد.برای سلول خورشیدی مطرح شده مطابق ویژگیها و پارمتر های بدست آمده یک ساختار بهینه را ارائه خواهیم کرد. این کارها را با نرم افزارهای مهندسی لومریکال انجام خواهیم داد.

نرم افزار لومریکال که جزو قوی ترین ابزارهای رایج شبیه سازی سلول خورشیدی است توانایی دارد مدلی 3 بعدی از سلول خورشیدی را با در نظر گرفتن و تعیین ویژگی های ساختار گریتینگ رسم نماید. شبیه سازی نوری سلول خورشیدی نانوساختار و شبیه سازی ادوات پلاسمونی نانوساختار که از جمله ویژگی های این نرم افزار می باشد.