مواد لایه نازک نانوساختار و کاربرد آنها در سلول‏های خورشیدی سمینار درس سلول‏های خورشیدی رشته مهندسي برق / گرايش الکترونیک    استاد راهنما: جناب آقای دکتر محمدنژاد مواد لایه نازک نانوساختار و کاربرد آنها در سلول‏های خورشیدی

تاریخچه فیلم‌های نازک خورشیدی از اواخر دهه ۱۹۷۰، همزمان با ظهور ماشین حسابهای خورشیدی که با لایه باریکی از سیلیکون امورف کار می‌کردند در بازار ظاهر شدند. سلولهای خورشیدی کاربردهای نوری مهندسی الکترونیک سنسورها 2/23

تغییر دمای بحرانی ابررساناها خصوصیاتی که در اثر نازک بودن سطح به وجود می آید ایجاد پدیده تداخل نور افزایش مقاومت ویژه مغناطیس شدگی سطحی پدیده تونل زنی تغییر دمای بحرانی ابررساناها 3/23

مقدمه با پیشرفت علم لایه­نشانی شرایط برای طراحی لایه­هایی با دقت بیشتر فراهم شد و نسل دوم سلول­های خورشیدی متولد شد . نسل دوم برپایه فناوری لایه نازک هستند که از چندین ماده مانند سیلیکون بی­نظم، کادمیوم ایندیوم سولفاید (CIS) یا لایه­های نازک سیلیکون بر روی اکسید نازک ایندیوم (ITO) ساخته می­شوند. 4/23

مزایای سلول های خورشیدی نسل دوم هزینه پایین تولید نیاز به مواد کمتر سبک بودن  انعطاف پذیزو تاثیر آن در تطبیق پنل ها و قابلیت منحنی شدن و مانند پارچه قابلیت لوله شدن مزایای سلول های خورشیدی نسل دوم ضخامت 35 تا 260 نانو متر 5/23

سلول‏های خورشیدی لایه نازک Se Ge In Cu CdTe CdS 6/23

مواد مورد استفاده سیلیکون بی­نظم کادمیوم تلوراید CdTe کادمیوم سولفاید CdS مس ایندیوم گالیوم سلنایدCIGS مس ایندیوم سلناید CIS 7/23

سیلیکون بی­نظم در فناوری لایه نازک، سیلیکون بی­نظم در مقایسه با دیگر اعضای این خانواده مانند CIS/CIGS و CdS/CdTe بسیار محبوب­تر است و آن هم به­دلیل بازده است. سیلیکون بی­نظم در مقایسه با نمونه­های بلورین، ضریب جذبی تا 40 برابر بیشتر دارد. مزیت انرژی شکاف باند eV1.7 8/23

بالاترین عدد اتمی متوسط کادمیوم تلوراید شکاف باند 1.5eV ضریب جذب بالا بالاترین عدد اتمی متوسط کمترین دمای ذوب ساختار کادمیوم تلوراید CdTeساختار منحصر به فردی در میان ترکیبات هم گروه خود مانند ZnS CdSe HgTe می باشد بالاترین ماهیت یونی 0.717 دمای ذوب CdTe 1092 c دمای ذوب Cd 321 c دمای ذوب Te 450 c 9/23

مقایسه از لحاظ بعد تجاری 11/23

سلول خورشیدی هیبریدی سیلیکون-پلیمر مزیت این ساختار این است که علاوه­بر ناحیه واسط آلی/غیر آلی بودن، که بعنوان جداکننده زوج الکترون-حفره عمل می­کند، یک مسیر مستقیم جریان برای جمع­آوری بار فراهم می­سازد. ساختار فرمولی یک P3HT سلول خورشیدی هیبریدی سیلیکون-پلیمر 12/23

در این سلول از نانو ذرات نقره که بر روی میله­های پلیمر قرار می­گیرند، برای افزایش پخش بار، جذب و بازده کوانتومی استفاده می­شود. تصویر SEM از نانوسیم­های سیلیکونی به همراه نانوذرات نقره ب) بازده کوانتومی سلول با نانوذرات نقره الف) ساختار داخلی سلول خورشیدی قرص سیلیکون نوع n / پلیمر ب) دیاگرام باند انرژی مواد به کار رفته 13/23

سیلیکون نامنظم الگو داده­شده در سه بعد بهبود ضریب جذب تصویر برش مقطعی SEM از سلول خورشیدی سیلیکون نامنظم هم­محور ستونی تصویر SEM از سلول خورشیدی سیلیکون نامنظم با نانو ساختارهای هرمی 14/23

پنیر سوئیسی ساختار طرح نانو حفره که با زدایش خشک بر روی ZnO لایه اتصال جلویی قرار می­گیرد، الگویی معروف به پنیر سوئیسی خلق کرده است که موجب ارتقاء جذب نوری سلول­های خورشیدی سیلیکون نامنظم لایه نازک می­شود تصویر SEM از نانو ساختار پنیر سوئیسی منحنی جریان نوری سلول لایه نازک برای دو ساختار مسطح و الگو دهی شده (پنیر سوئیسی) لایه ZnO 15/23

سیلیکون سیاه مزایا : معایب : کاهش هزینه با حذف لایه ضد بازتاب مرسوم افزایش بازدهی سلول با بهبود بخشیدن جذب جمع آوری انرژی توسط سلول های خورشیدی با هزینه ی کمتر بازده 18.1% معایب : بازترکیب حامل ها 16/23

پلاسمونیک افزایش ضریب جذب در طول موج های مشخص کاهش ضخامت لایه جاذب در سلول‏های لایه نازک طرح اول: نور توسط نانوذرات فلزی به دام می افتد و با پخش با زوایای مختلف عمق مؤثر را افزایش می دهد. طرح دوم: نانوذرات فلزی درون نیمه هادی قرار می گیرد. میدان نزدیک ذره برانگیخته شده تولید زوج الکترون-حفره می کند. 17/23

استفاده از نانو بلورهای نقره بر روی سطح سلول­های خورشیدی بهبود 7 برابری در ضریب جذب نوری در طول موج 1.2 میکرومتر برای سلول­های سیلیکونی مبتنی بر قرص را نتیجه می­دهد. بعلاوه پیشرفت 16 برابری در طول موج­ 1050 نانومتری برای سلول خورشیدی سیلیکونی لایه نازک با ضخامت 1.25 میکرومتر گزارش شده است ساختاری ساده از سلول خورشیدی سیلیکونی لایه نازک به همراه نانوذرات نقره بر روی سطح سلول 18/23

شکل و اندازه نانوذرات پلاسمایی برای ذراتی با قطرهای بسیار کوچک­تر از طول موج نور (d < λ)­، جذب و انتشار نور را می­تواند به­وسیله روابط لحظه نقطه دوقطبی، توصیف کرد     19/23

تولید چند اکسیتونی E > 2Eg تولید چند اکسیتونی (MEG) زمانی به وقوع می­پیوندد که فوتون منفردی در سلول خورشیدی بیشتر از یک زوج الکترون-حفره را برانگیخته کند E > 2Eg PbS PbSe … 20/23

بازده کوانتومی   جریان نوری   ساختار سلول با نقاط کوانتومی PbS 21/23

نمودار ثابت جذب نور برای مواد رسانای نور مختلف CdS 100 nm 10 μm CdTe 23/23

مرکز تحقیقات نانوپترونیکس با تشکر مرکز تحقیقات نانوپترونیکس