مدل سازی سلولهای خورشیدی لایه نازک cu(in,ga)se2 به منظور افزایش بازدهی تبدیل انرژی

چکیده بیشترین بازدهی سلول های لایه نازک متعلق به سلول های cu(in,ga)se2 (cigs) است که در سال 2014 در سطح آزمایشگاهی به بازدهی 8/20 % دست یافته اند. گرچه در این زمینه پیشرفت های بسیاری شده، اما این پیشرفت ها بر اساس بهینه سازی تجربی می-باشد و فهم دقیق مدل های فیزیکی نقش کم رنگی دارد. در این رساله، شکاف بین سلول های آزمایشگاهی و فیزیک عملکرد آن ها پر می شود. مدل سازی عددی، می تواند در فهم پدیده های فیزیکی سلول بسیار موثر باشد. در این رساله، یک سلول لایه نازک cigs مدل سازی شده است که مشخصات سلول با داده های تجربی سلول ساخته شده در آزمایشگاه ملی انرژی های تجدید پذیر آمریکا مطابقت دارد. این ساختار متداول، مبنای طراحی ساختارهای نوین در جهت افزایش بازدهی شده است. فرآیند بازترکیب در سلول های خورشیدی برای فوتون های با طول موج بلند پارامتر مهمی است. در این ساختارها برای جداسازی حامل های ناشی از فوتون های با طول موج بلند، می توان از یک (یا دو) میدان الکتریکی کمکی در لایه جاذب استفاده کرد. میدان کمکی ایجاد شده به صورت سدی در باند هدایت ظاهر می شود که"بازتابنده الکترون" نامیده می شود. در این پایان نامه، روش های مختلفی برای ایجاد بازتابنده الکترون پیشنهاد شده است. پیاده سازی این روش ها منجر به ایجاد ساختارهای چند لایه ای می شود. با طراحی ساختارهای چندلایه ای همگون، بازدهی سلول های cigs، 5/3 درصد بهبود یافته اند. با طراحی ساختارهای چندلایه ای ناهمگون، بسته به چگالی حفره ها در لایه cigs، بازدهی سلول در مقایسه با سلول متداول cigs ، 2-8 درصد افزایش یافته است. علاوه بر این، کلیه مراحل ساخت سلول های طراحی شده، نیز بررسی شده و مشکلاتی که در فرایند ساخت، احتمال رخ داد آن وجود دارد، بیان شده و راهکارهایی برای رفع آن ارائه گردیده است. شکاف باند انرژی بزرگ zn(o,s)و انعطاف پذیری آن در ایجاد پیوندی مناسب با همه انواعcigs ، موجب شده است که این نیمه هادی در سلول های cigs، جایگزین cds شود. با بررسی فیزیکی تاثیر پارامترهای zn(o,s)بر روی مشخصه سلول، محدودیت-های سلول جبران شده است. با افزایش غلظت عنصر ایندیوم در لایه بافر zn(o,s)، گستره غلظت اکسیژن را که در آن بازدهی سلول بیشینه می شود، از50-75% به 30-90% گسترش یافته است. در سلول های zn(o,s)/cigs به طراحی ساختاری به نام "سوق دهنده الکترون" پرداخته شده است که در آن، جمع آوری الکترون ها بهبود یافته و موجب افزایش بازدهی می گردد. عناوین اصلی که در این رساله پوشش داده می شود شامل: 1) بررسی تاثیر عناصر تشکیل دهنده cigs بر روی عملکرد سلول 2) طراحی سلولcigs با 5/3% افزایش بازدهی 3) طراحی سلول های چند لایه ای با 3 % افزایش بازدهی همراه با کاهش ضخامتcigs به منظور کاهش قیمت 4) استفاده از zn(o,s) به جای cds در سلول های cigs 5) طراحی ساختار "سوق دهنده الکترون"