مطالعه و مدلسازي سلول خورشيدي چندپيوندي متبني بر گاليوم آرسنايد و بررسي محدوديت راندمان در ساختارهاي چندپيوندي اين نوع سلول خورشيدي

Study and Modeling Multi Junction Solar Cell Based on Gallium Arsenide and Analysis Efficiency Limits for Single & Tandem Junction Solar Cells

به كمك مدلسازي عددي سلول خورشيدي همواره مي‌توان وسعت پارامترهاي مورد بحث را افزايش داد، در حالي كه هم از نظر هزينه و هم از نظر زمان، در موارد عملي اين امر در مدلسازي مطلوب‌تر است. با توجه به كاربردهاي انرژي خورشيدي، نوع جديدي از منابع تبديل انرژي بدون آلودگي، افزاره‌هاي فتوولتاييك است كه با اقبال فزاينده‌اي روبه‌روست. همواره دو نگراني در زمينه‌ي مدلسازي و شبيه‌سازي سلول خورشيدي مطرح مي‌شود: 1. آيا مدلسازي رايانه‌اي توانايي و دقت لازم براي پيش‌بيني عملكرد سلول خورشيدي را دارد؟ 2. اگر چنين است چگونه مي‌توان با استفاده از مدلسازي به بهينه‌سازي ساختار و بهبود طراحي سلول خورشيدي پرداخت؟ ما در اين مقاله پاسخ خواهيم داد كه با استفاده از مدلسازي مي‌توان به نتايجي در مورد توانايي مدلسازهاي عددي براي پيشگويي رفتار افزاره نظير مشخصه‌هاي ولتاژ ـ جريان كه همواره از مهم‌ترين پارامترهاي افزاره محسوب مي‌شود، دست يافت و مي‌توان اين مدلسازي را به‌ازاي مقادير متفاوت و مشابهي از پارامترها، نظير تراكم آلايش، ضخامت لايه‌ها و دماهاي مختلف به‌دست آورد. در اين مقاله، ساختار پايه‌اي سلول خورشيدي تك‌پيوندي و دوپيوندي مبتني بر GaAs را با استفاده از نرم‌افزار مدلسازي افزاره Silvaco مدلسازي مي‌كنيم و سپس به بهينه‌سازي و مقايسه با نتايج كارهاي عملي مي‌پردازيم و نقش مواد گوناگون را در اين ساختار بررسي كرده و نتايج مدلسازي خود را بيان مي‌كنيم و همچنين به بررسي پايه‌اي پيوند تونلي به‌عنوان يك پارامتر حياتي براي طراحي سلول‌هاي خورشيدي چندپيوندي مي‌پردازيم. موفقيت در مدلسازي پيوند تونلي اين توانايي را به‌وجود خواهد آورد كه سلول‌هاي خورشيدي با بازدهي بيشتري را داشته باشيم. تاثيرات تونل‌زني كوانتومي بر پايه‌ي اتصالات به دام‌اندازي و تونل‌زني باند به باند غيرمحلي كه توسط روش Wentzel-Kramers-Brillouinتعريف شده است. در انتها محدوديت‌هاي راندمان براي اين گونه ساختارهاي تك و چندپيوندي را بيان مي‌كنيم.

Numerical simulations of solar cells represent important tools for use and development, because we can allow investigations of a much wider parameter space at a fraction of the cost and time of experimental studies. As a new type of free pollution energy conversion devices, solar photovoltaic devices attract increasing attention. Two questions arise concerning solar cell modeling and simulation: 1. Can computer modeling and simulation accurately predict solar cell performance? 2. If so, how can solar cell designing be optimized using modeling and simulation? In this paper, we prove that the benefit of solar cell numerical models is their ability to predict trends in current–voltage characteristics, since important parameters are varied, such as doping concentrations, layer thickness and operating temperature. To do this, first we simulated two types of 1 & 2 junction solar cells based on GaAs by using Silvaco device simulator, then optimized and compared these structures with similar experimental results, and consequently described the Modeling result of GaAs solar cells. Hence the tunnel junction is a critical component of a multi junction solar cell, this paper concentrated on simulating it to apply as a part of a multi junction solar cell. It tried several methods, in ATLAS device simulator, to produce a model of the tunnel junction that can later be used while designing multi junction devices. The quantum tunneling effect is based on the non-local band-to-band and trap assisted tunneling probability described by the Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) method. Finally the Efficiency limits for single & tandem junction solar cell was described.