عنوان پایان‌نامه
شبیه سازی سلولهای خورشیدی برای کارکرد با تمرکز نور بالا
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-الکترونیک- تکنولوژی نیمه هادی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه دانشکده برق و کامپیوتر شماره ثبت: E1936;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 50432
- تاریخ دفاع
- ۱۹ تیر ۱۳۹۰
- دانشجو
- علی علیمردانی
- استاد راهنما
- ابراهیم اصل سلیمانی, علی افضلی کوشا
- چکیده
- نکات فراوانی که در طراحی سلولهای خورشیدی باید مورد توجه قرار گیرند به خصوص در تمرکزهای متفاوت نور که مشکلات بیشتری وجود دارد، انگیزهای برای شبیهسازی انواع سلولها قبل از ساخت آنها ایجاد میکند. در این پایان‌نامه، در قدم اول به بررسی پارامترهای مهم تأثیرگذار بر بازده سلولهای سیلیکنی پرداخته میشود. این پارامترها عبارتند از: ضخامت سلول، ضخامت ناحیه امیتر، تراکم ناخالصی بیس، تراکم ناخالصی امیتر، عرض اتصالات رویی و همچنین قرار دادن ناحیه n^+ زیر اتصالات فلزی. به دلیل مستقل نبودن این پارامترها از هم و تأثیرگذاری آنها بر یکدیگر باید در چند مقدار برای هر پارامتر و در تمرکزهای مختلف نور مقادیر بهینه سایر پارامترها را پیدا کرد. علاوه بر بررسی و مشاهده نحوه تغییرات بازده در تمرکزهای متفاوت نور با تغییر پارامترها، مقادیر عددی حاصل از شبیهسازیها کمک بسیاری در جهت طراحی و ساخت سلولهای خورشیدی میکند. تفاوت این شبیهسازیها با کارهای انجام شده قبلی این است که در دو بعد صورت میگیرد و تأثیرات افقی نیز در نتایج لحاظ میشوند، در صورتی که نتایج قبلی عمدتاً بر مبنای شبیهسازی با برنامه PC1D بود که حل معادلات را فقط در یک جهت انجام میداد. علاوه بر آن، در این کارها تنها بعضی از پارامترها به صورت محدود بررسی شده بودند. بازده در سلول با ضخامتµm 300 از سایر ضخامتها بیشتر است. بازده در تمامی ضخامتها در تراکم ناخالصی بیس 3-cm1016×6 رخ میدهد. با کم شدن ضخامت امیتر، بیشینه بازده افزایش پیدا میکند. در ضخامت امیتر 3/0 بازده بیشینه در تراکم ناخالصی حدود 3-cm1019×5 و در ضخامت µm5/0 حدود 3-cm1018×8 اتفاق میافتد که در 3/0 حدود 5/0% بازده بیشتر است. قرار گرفتن ناحیه n+ در ضخامت امیتر µm3/0 میتواند تا حدود 5/1% بازده را افزایش دهد. قدم بعدی بررسی اثر تغییرات بعضی از پارامترهای ذکر شده بر تغییرات سایر خصوصیات مورد توجه سلولهای خورشیدی سیلیکنی برای کار در تمرکز بالای نور است. بررسی تغییر ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه با تغییر تراکم ناخالصی بیس و امیتر، بررسی اثر ولتاژ بایاس و بررسی جریان افقی و ولتاژ افقی ناحیه امیتر در نقاط مختلف با تغییر تراکم ناخالصی امیتر و عمق آن و همچنین فاصله اتصالات مختلف و بررسی توان تلفاتی در ناحیه امیتر، بررسی تأثیر تراکم ناخالصی بیس و امیتر در پاسخ فرکانسی سلول و بررسی تأثیر سرعت بازترکیب سطحی در پاسخ فرکانسی سلول کارهای انجام شده در این مرحله هستند. میتوان گفت انجام این شبیهسازیها به این شکل و بررسی این موضوعات برای اولین بار صورت میگیرد. بررسی جریان و ولتاژ افقی ناحیه امیتر که در تمرکزهای بالای نور بسیار اهمیت پیدا میکنند و مدلسازی آنها نکاتی کلیدی در طراحی اتصالات رویی سلولها به شمار میروند. همچنین تأثیر سرعت بازترکیب سطحی در تمرکزهای بالای نور نشان دهنده نیاز هر چه بیشتر به طراحی لایههای غیر فعالسازی بهتری برای سطوح بالایی میباشد.
- Abstract
- In different concentrations of sunlight where more problems exist, there are a lot of points in designing solar cells which should be taken into consideration and this is the motivation for simulation of different type of cells before their production. In this thesis, in the first step the influence of important effective parameters on cell efficiency is studied. These parameters are: cell thickness, emitter depth, doping concentration of base and emitter region, width of top contacts and also putting n+ region under the metallic contacts. Because of the dependency of these parameters and their impact on each other, studying each of them distinctly is not possible and optimum values of parameters should be found in several values for the parameters and concentrations of sunlight. Changing the parameters in different sunlight concentrations, in addition to examining and observing the changes in efficiency of the cell, helps a lot in designing and producing the cells with numerical values taken from simulations. The difference between these simulations and previous works is that these are done in 2-dimensions and lateral effects are also considered in results while previous results were almost based on PC1D which solves the equations in 1-dimension, moreover in previous works only some of the parameters and limited numbers were examined. The efficiency of the cell with thickness of 300µm is higher than the other thicknesses. The maximum efficiency in all thicknesses occurs in doping concentration of 6×1016cm-3. By decreasing emitter depth, the maximum efficiency increases. Maximum efficiency occurs in doping concentration of about 5×1019cm-3 in emitter depth of 0.3µm and in about 8×1018cm-3 in depth of 0.5µm. In 0.3µm the efficiency is higher about 0.5%. Placing the n+ layer, in emitter depth of 0.3µm can increase the efficiency up to about 1.5%. The next step is studying the impact of changing some of the mentioned parameters on the changes of other important properties of silicon cells for working in higher concentrations of sunlight. The changes in open circuit voltage and short circuit current with changing the doping concentration of base and emitter, studying the effect of bias voltage and lateral current and lateral voltage in different positions, doping concentration of emitter and its depth and distances between contacts are examined. In addition, studying power loss in emitter region, examining the influence of doping concentration in base and emitter on frequency response of the cell and examining the impact of surface recombination velocity in frequency response of the cell are the works that are done in this step. It can be said that performing these simulations in this way and studying these subjects is carried out for the first time. Studying the lateral current and voltage distribution in the emitter region which has the great importance in higher sunlight concentrations and modeling them is one of the key points in design of top contacts of cells. Also, the influence of surface recombination velocity in higher concentrations of light shows that designing better passivating layers for upper surfaces is very necessary. Finally, for silicon solar cells another structure that is different in the design of contacts and is examined for the first time by means of simulations is taken into consideration. These cells are very suitable for working in higher concentrations. In the next part of the thesis, CuIn(Ga) Se_2 cells, or in short form CIGS, which are the more efficient thin film solar cells are examined. First the effect of different parameters like layers’ thicknesses, their doping concentrations and composition fractions of CIGS and optimization of them and briefly influence of linearly changing the fraction of composition and effect of grain boundaries in different sunlight concentration are studied. By changing the composition fraction of CIGS, the maximum efficiency occurs in Ga/Ga+In equal to about 0.3. In the last part of the thesis, cells made from GaInP with upper and lower layer from AlGaInP that is used as top cell in hetrostructure cells are studied. The effect of changes in composition fractions in constant form and different profiles in all layers and the impact of changing the thickness of upper and lower layers in different concentration of light are simulated. In recent years metamorphic hetrostructure cells are particularly considered, and consequently the properties of the cells with different composition fractions, will gain a great importance.
