پایان نامه درباره
خورشیدی، سلولهای، لایه

پایان نامه درباره خورشیدی، سلولهای، لایه

دیگر پیش رود. با قرار دادن یک دانه16ی بلوری کوچک در نقطهی شروع انجماد می توان کیفیت رشد بلور را بالا برد. اگر سرعت سرد کردن به دقّت کنترل شود و مکان فصل مشترک جامد و مذاب به آهستگی در طول مذاب حرکت داده ش.ود، اتمهای ژرمانیوم همراه با سرد شدن بلور به صورت شبکهی الماسی آرایش مییابند. شکل بلور به دست آمده توسط ظرف ذوب تعیین میشود. Ge، GaAs و دیگر بلورهای نیمههادی معمولا با این روش، که روش بریجمن17 افقی نامیده میشود، رشد داده میشوند. در شکل دیگری از این روش، ناحیهی کوچکی از مادهی بلوری ذوب شده و سپس ناحیهی مذاب طوری به طرف دیگر حرکت داده میشود که در پشت ناحیهی مذاب و در هنگام حرکت آن یک بلور تشکیل شود[3].
یکی از معایب رشد بلور در ظرف مذاب این است که مادهی مذاب با دیوارههای ظرف تماس پیدا میکند و در نتیجه در هنگام انجماد تنشهایی ایجاد میشود که بلور را از حالت ساختار شبکهای کامل خارج میسازد. این نکته به ویژه در مورد Si که دارای نقطهی ذوب بالایی بوده و تمایل به چسبیدن به مواد ظرف ذوب را دارد، مشکلی جدی است. یک روش جایگزین، که این مشکل را برطرف میکند، شامل کشیدن بلور از مذاب در هنگام رشد آن است. در این روش یک دانهی بلوری در داخل مادهی مذاب قرار داده شده و به آهستگی بالا کشیده میشود و به بلور امکان رشد بر روی دانه را میدهد. معمولا در هنگام رشد، یلور به آهستگی چرخانده میشود تا علاوه بر همزدن ملایم مذاب، از هرگونه تغییرات دما( که منجر به انجماد غیر ممکن میشود) متوسط گیری کند. این روش، که روش چوکرالسکی نامیده میشود، به شکل گستردهای در رشد Si، Ge و برخی از نیمههادیهای مرکب استفاده میشود[3].
1-3-1-2- سلول های خورشیدی کریستالی سیلیکونی
این سلولها را میتوان بسته به ساختار بلوری سیلیکون به دو دسته تقسیم نمود : سلولهای خورشیدی سیلیکونی تک-کریستال و سلولهای خورشیدی سیلیکونی چندکریستال. در دستهی دوم از سیلیکون چند کریستال به عنوان نیمههادی فعّال استفاده میشود. در دستهی اول به منظور دستیابی به بازده بالاتر طیّ یک مرحلهی اضافه، سیلیکون چندکریستال به تک کریستال تبدیل میشود. این کار باعث افزایش هزینهی ساخت خواهد شد. از سوی دیگر، از آن جا که نیمههادی باید ابتدا به صورت مربّعی درآمده و سپس مورد استفاده قرار گیرد، دور ریز مواد در این دسته بیش از سلولهای چند کریستال است ( سیلیکون چند کریستال را میتوان در قالبهای مربعی رشد داد).
1-3-2- نسل دوم سلول های خورشیدی (سلول های لایه نازک)
از آن جا که در سلولهای خورشیدی نسل اوّل هزینهی ساخت بسیار بالاست، باید راهی برای کاهش هزینهها یافت. برای این کار باید دید چه چیزی موجب بالا رفتن هزینهی بالای تولید در آن سلولها میگردید. با یادآوری مطالب پیشین مشخّص میشود که با کاهش مواد مورد استفاده و نیز کاهش کیفیت و خلوص ساختار بلوری میتوان هزینهها را، هر چند بازده هم کاهش یابد، کاهش داد.
در سلولهای خورشیدی لایهنازک در واقع هم مواد مورد استفاده کاهش یافته است و هم فرآیند ساخت بسیار ارزانتر شده است. علاوه بر اینها نیمههادیهای لایهنازک انعطاف هم دارند و این امر میتواند کاربردهای جدیدتری نیز پیش روی آنها قرار دهد. در این سلولها برای کاهش بیشتر هزینه حتّی میتوان از نیمههادیهای بیشکل نیز استفاده نمود.
در این فصل انواع مهم سلولهای خورشیدی لایهنازک به صورت مختصر شرح داده شدهاند. لازم به ذکر است که معیار قرار گرفتن این سلولها در نسل دوم فقط لایهنازک بودن نیمههادی در آنهاست؛ در حالی که برخی از این سلولها میتوانند در سلولهای نسل سوم نیز قرار بگیرند چرا که بازده آنها میتواند از حدّ شاکلی- کوئیزر نیز فراتر باشد.
شکل ‏1-1- نمونهای از یک سلول خورشیدی لایه نازک
1-3-2-1- سلول های خورشیدی لایه نازک سیلیکون
این دسته از سلولهای خورشیدی خود شامل چندین نوع سلول میشود که از آن میان میتوان به سلولهای لایه نازک با سیلیکون تک کریستال، چند کریستال، بیشکل و نانوکریستال اشاره نمود. چند کریستال نسبت به تک کریستال ارزانتر است امّا بازده کمتری نیز دارد. بیشکل از چند کریستال هم ارزانتر است با این نفاوت که بازده کمتر و گاف انرژی بالاتری دارد. همچنین گاف انرژی نانوکریستال با تک کریستال برابر است. از این مواد میتوان به صورت چند پیوند نیز استفاده نمود، نمونه ای از این کار در شکل ‏1-2 نمایش داده شده است[4].
شکل ‏1-2- سلول خورشیدی لایه نازک سیلیکون با چند پیوند
علیرغم همهی مزایایی که سیلیکون دارد، دارای یک ضعف بزرگ است: ساختار نواری غیرمستقیم موجب میشود که جذب نور در سیلیکون پایین باشد. نتیجهی این امر این است که ضخامت آن باید خیلی بیشتر از هنگامی باشد که از یک نیمههادی با ساختار نواری مستقیم استفاده میکنیم[5] بنابراین هنگام استفاده از لایهی نازک سیلیکون به عنوان نیمههادی باید با تکنیکهای حبس نور، جذب نور در آن را افزایش داد تا ضرورتی برای داشتن ضخامت بالا نباشد.
1-3-2-2- سلول های خورشیدی لایه نازک کلکوپریت18
دی سلناید مس ایندیم19 یک جذب کنندهی خورشیدی فوق العاده است، ضریب جذب این نیمههادی در طول موجهای زیر 1000 نانومتر به بیش از 3 تا 104 (بر سانتی متر) میرسد و گاف انرژی مستقیم ان بین 0.95 تا 1.04 است[6].
نوع هدایت الکتریکی در CuInSe2 اساسا توسط انحرافات20 از استوکیومتری21 و نقصهای بومی22 تعیین میشود. قرار گرفتن اتمهای مس به جای اتمهای ایندیم و خالی ماندن جای اتمهای ایندیم باعث میشود نواحی غنی از مس23 هادیت نوع p داشته باشند در حالی که فازهای غنی از ایندیم نوع n خواهند بود[6]. قرار گرفتن اتمهای روی یا کادمیم در محل اتمهای مس، هدایت را از نوع p به نوع n تبدیل میکند. هدایت الکتریکی به جذب یا نشر اکسیژن در مرزها نیز بستگی دارد[6].
دی سلناید مس گالیم24 نیز دارای گاف انرژی 1.68 الکترون- ولت است. میتوان گاف انرژی را با شکلدهی یک فاز کلکوپریت سلناید مس(ایندیم/گالیم)25 به شکل یک بافت درآورد[6].
شکل ‏1-3- ساختار متداول یک سلول خورشیدی CuInSe2
به علّت بازده بالا و هزینهی پایین مواد، سلول خورشیدی CIGS امیدوار کنندهترین نوع از سلولهای مبتنی بر تکنولوژی لایه نازک به حساب میآید. یکی از مهمترین مزیّتهای این گونه سلولها طول عمر مفید بالا است [7].
1-3-2-3- سلول های خورشیدی لایه نازک کادمیم تلوراید
کادمیم تلوراید26 یک نیمههادی مرکب با ساختار نواری مستقیم با گاف انرژی 1.5 الکترون- ولت است که مادّهای قدرتمند برای استفاده در سلولهای خورشیدی به شمار میرود. ساخت لایهی نوع n با مقاومت پایین CdTe قابل ساخت است امّا پنجرهی رسانا و شفّاف از نوع p در دسترس نبوده و در سلولهای اوّلیهای که با پیکربندی فلز- عایق- نیمهرسانا27 تدارک دیده میشدند، CdTe در بین دو لایه کادمیم سولفاید28 قرار گرفته با 10 دقیقه حرارتدهی400درجهی سلسیوسی به نوع p تبدیل میشد تا یک سلول خورشیدی مبتنی بر پیوند p/n را تشکیل دهد[6]. در آزمایشگاه NREL سلولی با بازده 16% از جنس CdTe ساخته شده است[7]. ساختار معمول یک سلول خورشیدی CdTe در شکل ‏1-4 نمایش داده شده است.
شکل ‏1-4- ساختار مرسوم سلول خورشیدی لایهنازک CdTe
تنوّع روشهای ساخت به عنوان یک مزیت مهم این سلولهای خورشیدی به شمار میرود که آنها را بسیار مناسب برای تولید انبوه میسازد، در حالی که دسترسی محدود و مشکلات زیستی به عنوان اصلیترین موانع تولید آنها محسوب میشوند.
1-3-2-4- سلول های خورشیدی لایه نازک ارگانیک
از جمله پرطرفدارترین موادّ ارگانیک میتوان به نیمههادیهای پلیمری و مولکولی، فولرن C60 و مشتقّات آنها اشاره نمود. دستهی اوّل به دلیل استفاده در دیودهای نور افشان ارگانیک29 و ترانزیستورهای لایه نازک برای استفاده در کارتهای هوشمند شناخته شده هستند[8].
از جمله مزایای استفاده از این مواد میتوان به سادگی فرآیندهای رشد( بدین صورت که اکثر این مواد با روشهای شمیایی مانند پوششِ دورانی30 قابلیت رشد بر روی بستر را دارند) و انعطاف پذیری قطعات تمام پلیمری( که انها شایستهی استفاد در کاربردهای فراوانی میسازد) اشاره نمود.
ساختار سلول خورشیدی مورد استفاده، به ازای بسیاری از این مواد، با بستر شیشهای آغاز میشود که توسط لایهای از اکسید قلع ایندیم31، که نقش الکترود شفّاف بالای سلول را دارد، پوشانده میشود. پس از آن یک یا چند لایه موادّ ارگانیک جاذب نور بر روی ITO مینشینند و در نهایت ساختار قطعه با نشست اتّصال عقب، که معمولا فلزی است، بر روی لایههای ارگانیک کامل خواهد شد.
در سلولهای اوّلیه تنها از یک لایهی ارگانی میان دو الکترود استفاده میشد که در انها جمعآوری ضعیف حاملها موجب رقم خوردن بازدههای پایین میگردید. برای غلبه بر این مسئله، استفاده از دو لایه موادّ ارگانیک که در یکدیگر آمیختهاند به عنوان راه حلّ متداول انتخاب شد. این دو لایه معمولا C60 و PPV32 یا فتالوسیانین33 و مشتقّات پریلین34 یا CN-PPV35 و MEH-PPV36 خواهند بود. ایدهی اصلی این روش بدین صورت است که یکی از لایهها پذیرندهی الکترون است و دیگری پذیرندهی حفره؛ این لایهها به گونهای با هم اتّصال دارند که هنگامی که حاملهای آزاد تولید میشوند، بدون نیاز به نفوذ در فواصل بلند(10nm) استخراج گردند.
مقادیر گزارش شده برای بازده این سلولها کمتر از 5% بوده و هنوز اطلاعات جامعی در مورد مشکلات مهم پایداری سلول و مدّت زمان بازگشت انرژی37 آن در دسترس نیست.
1-3-3- نسل سوم سلول های خورشیدی
امروزه بازده نسل اوّل سلولهای خورشیدی تقریبا به بیشترین حدّ امکان پذیرخود، یعنی حد شاکلی- کوئیزر، رسیده است و به هیچ وجه انتظاری برای افزایش چشمگیر بازده این سلولها نمیرود. تنها کاری که بر روی این سلولها انجام میشود کار بر روی فرآیندهای ساخت و برای کاهش هزینههاست. در نسل دوم سلولهای خورشیدی از موادّی استفاده میشود که فرآوری و رشد آنها بسیار ارزان قیمت است امّا بازدههای به دست آمده مقادیر کمی دارند و تلاش در این حوزه در جهت افزایش بازده انجام میگیرد.
امّا برای این که برق خورشیدی از نظر هزینهی تولید به برق ناشی از سوختهای فسیلی نزدیک شده و حتّی قابل صرفهتر باشد به سلولهایی نیاز داریم که با همان مواد و فرآیندهای نسل دوم ساخته شوند امّا با بازدههایی در حدود نسل اوّل و حتّی بالاتر از آن. برای گذشتن از بازده نسل اوّل باید از حدّ شاکلی- کوئیزر گذشت. این امر مستلزم آن است که ما بدانیم شاکلی و کوئیزر چه فرضهایی را به عنوان شرایط قطعی پذیرفته و محاسبات خود را بر پایهی آنها انجام دادند. با اطّلاع از این فرضها میتوان شرایطی را به وجود آورد که هر یک از این فرضها نقض شوند، آنگاه از نقض هر فرض طبیعتا میتوان به یک ایده برای نسل سوم سلولهای خورشیدی دست یافت. این فرضها عبارتند از:
1) سلول دارای یک پیوند نیمههادی است.
2) طیف ورودی سلول، طیف خورشید است.
3) هر یک فوتون جذب شده حداکثر میتواند یک زوج الکترون- حفره تولید کند و برای تولید هر زوج الکترون- حفره به یک فوتون نیاز داریم.
4) تنها یک شکاف میان سطوح شبه- فرمی پیوندها وجود دارد.
5) دمای کلّ قطعه یکسان است یا به عبارت دیگر سلول در تعادل گرمایی قرار دارد.
بدین ترتیب سلولهای خورشیدی38 نسل سوم بر پایهی ایدههای زیر استوار خواهند بود:
1) استفاده از سلولهایی با چند پیوند نیمههادی
2) استفاده از طیفهایی غیر از طیف خورشید
3) استفاده از چندین مسیر(مکانیزم) جذب فوتون
4) تعبیهی چندین شکاف در میان سطوح شبه- فرمی
5) مجاز دانستن اختلاف دما در قطعه و ردّ تعادل گرمایی حاملها با شبکه
سلولهای مبتنی بر این ایدهها به ترتیب در بخشهای بعدی این فص

مطلب مرتبط :   پایان نامه دربارهمعادلهی، نمایش، همیلتونین
برای دانلود متن کامل فایل این  پایان نامه می توانید  اینجا کلیک کنید

دیدگاهتان را بنویسید

Close Menu