طراحي، شبيه سازي و ساخت ‌سلول‌ خورشيدي لايه نازك كستريت

دكتري تخصصي

امروزه مواد كستريت به عنوان يكي از لايه هاي جاذبِ سلول‌هاي خورشيدي لايه نازك مطرح شده اند. اين مواد تركيبي از عناصر مس، روي، قلع، گوگرد و سلنيوم بوده و شكاف انرژي آن ها در محدوده بهينه براي سلول هاي خورشيدي تك پيوندي است. در اين رساله به طراحي و تحليل ساختارهاي نوين در جهت بهبود پارامترهاي فتوولتائيك سلول خورشيدي كستريت پرداخته شده است. ساختارهاي پيشنهادي به نحوي است كه منجر به بهبود هم‌زمان بازدهي، ولتاژ مدار باز و چگالي جريان اتصال كوتاه افزاره شده است. استفاده از لايه هاي بافر جايگزين CdS، افزودن لايه هاي نازك مياني CZTS، CZTSe و CZTS0.2Se0.8 بين لايه جاذب/اتصال پشتي، استفاده از لايه هاي جاذب دوتايي از جمله ساختارهاي پيشنهادي است كه مورد تحليل جامع و شبيه سازي قرار گرفته است. شبيه سازي ها نشان داد براي دستيابي به بازدهي بالاي 13 درصد و همچنين ولتاژ مدار باز بالاي 700 ميلي ولت، مي توان از تركيبات SnS2، Mg0.2Zn0.8O، ZnO0.55S0.45 و ZnO0.80S0.20 به عنوان لايه بافر استفاده كرد. با افزودن لايه هاي نازك مياني CZTS، CZTSe و CZTS0.2Se0.8 بين لايه جاذب/اتصال پشتي، كاهش قابل توجهي در تلفات بازتركيب (كمتر از 2mA/cm 12) به‌دست آمد. با استفاده از لايه هاي نازك فوق و پس از بهبود ساختار به صورت پيوند p+pn، به ترتيب بازدهي 62/15%، 98/15% و 81/17% حاصل شد. همچنين كاهش بازتركيب حامل هاي اقليت در محدوده اتصال پشتي و كاهش مقاومت سري، در ساختارهاي پيشنهادي تحت روشنايي AM1.5 منجر به افزايش حداقل 40 درصدي ولتاژ مدار باز به ترتيب معادل mV 919، mV 921 و mV 986 شد. در ادامه به كمك فن آوري هاي رشد لايه نشاني چرخشي و نيز با استفاده از تركيبات شيميايي ارزان قيمت، طراحي و ساخت لايه جاذب سلول خورشيدي مبتني بر كستريت CZTS طي مراحل مشخص انجام شد و ويژگي هاي نوري و الكتريكي آن مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت. نتايج اوج‌‌هاي پراش پرتو ايكس حاصل شده مطابق با الگوي پراش اشعه ايكس تركيب CZTS بود كه اين موضوع نشان دهنده ساختار كستريت لايه هاي ايجاد شده مي‌باشد. شكاف انرژي نوري لايه‌هاي رشد يافته در محدوده eV 50/1 – 40/1 به دست آمد كه با مقادير به‌دست آمده از منابع و تحقيقات قبلي مطابقت خوبي داشت. در تصاوير مورفولوژي از SEM، لايه هاي متراكم از ذرات CZTS مشاهده شد. همچنين منحني به‌دست آمده از ضرايب جذب لايه¬ نازك CZTS در طول موج هاي 200 تا 1100 نانومتر نشان از جذب بالاي آن در طيف مرئي و UVA دارد. در نهايت در دو ساختار عملي پيشنهادي به صورت Au/CZTS/ZnO/AZO/ITO وAu/Cu-rich CZTS/Zn-rich CZTS/ZnO nanorod/AZO/ITO عملكرد مناسبي در سلول خورشيدي لايه نازك كستريت مشاهده شد به‌طوري كه مقدار ولتاژ مدار باز و جريان اتصال كوتاه در ساختار اخير به ترتيب به مقدار V 54/0 و mA 5/21 به دست آمد.

194960

دانشگاه علم و صنعت ايران

الكترونيك

دكتر شهرام محمدنژاد