بهبود عملکرد سلول خورشیدی سیلیکونی لایۀ ‌نازک با بهینه‌سازی لایه‌های ضد‌بازتاب و تحلیل نقص‌های ساختاری به روش FDTD

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه ملایر، ملایر، ایران

2 - گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران -پژوهشکده نانوتکنولوژی، دانشگاه، شهرکرد، ایران

چکیده
بازتاب نور یکی از عوامل اصلی کاهش بازدهی در سلول‌های خورشیدی سیلیکونی است. در سلول‌های متعارف ضخیم از ساختارهای ضد‌بازتاب مانند سطوح بافت‌دار استفاده می‌شود، اما این روش برای سلول‌های نسل جدید لایۀ‌ نازک با ضخامت حدود ۳ میکرومتر کارایی ندارد. در این پژوهش، سلول‌های خورشیدی لایۀ‌ نازک سیلیکونی با یک ‌لایۀ ضد‌بازتاب 4N3Si و دو لایۀ ضد‌بازتاب 4N3Si/2 MgF به روش عددی تفاضل محدود در حوزۀ زمان (FDTD) با استفاده از نرم‌افزار لومریکال (Lumerical) شبیه‌سازی شدند. در شبیه‌سازی اپتیکی، توزیع میدان الکترومغناطیسی و ضریب بازتاب برای طول‌موج‌های مختلف محاسبه شد و سپس داده‌های اپتیکی به بخش الکتریکی محیط لومریکال Lumerical Device) ) منتقل گردید تا رفتار جریانولتاژ (J–V) سلول در دو حالت آرمانی (بدون نقص) و واقعی (با نقص‌های حجمی و سطحی) تحلیل شود. نقص‌های حجمی ناشی از بازترکیب‌های غیرتابشی از نوع اوژه و شاکلیکوییسر و نقص‌های سطحی مربوط به ناهمگنی در فصل مشترک لایه‌های سلول هستند که سبب افزایش نرخ بازترکیب و کاهش چگالی حامل‌های آزاد می‌شوند. نتایج نشان داد که در سلول با پوشش تک‌لایه، کمترین بازتاب زمانی حاصل می‌شود که ضخامت لایه 4N3Si برابر با ۶۲ نانومتر باشد. در ساختار دولایه 4N3Si/2 MgF بهینه‌ترین ضخامت‌ها به ترتیب ۱۱۲ و ۶۲ نانومتر به دست آمد. همچنین بررسی الکتریکی سلول در دو حالت آرمانی (بدون نقص) و واقعی (با در نظر گرفتن نقص‌های حجمی و سطحی) انجام شد. تحلیل الکترواپتیکی نشان داد که وجود نقص‌ها می‌تواند بازدۀ سلول را حدود ۵۰٪ نسبت به حالت آرمانی کاهش دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Improving the performance of thin-film silicon solar cells by optimizing anti-reflection layers and analyzing structural defects using the FDTD method

نویسندگان English

masumeh samadi 1
Gholamhossein Heidary 2
Hamed Bahirayee 1
1 Department of Physics, Faculty of Basic Sciences, Malayer University, Malayer, Iran
2 Department of Physics, Faculty of Basic Sciences, University of Shahrekord, Shahrekord, Iran Nanotechnology Research Institute, University of Shahrekord, Shahrekord, Iran
چکیده English

Light reflection is one of the main factors that reduces the efficiency of silicon solar cells. In conventional thick silicon cells, anti-reflection structures such as textured surfaces are used, but this method is not effective for new generation thin-film cells with a thickness of approximately 3 μm. In this study, silicon thin-film cells with a single anti-reflection layer (Si₃N₄) and a double anti-reflection layer (MgF₂/Si₃N₄) were simulated using the finite difference time domain (FDTD) numerical method. The results showed that, for the cell with a single-layer coating, the lowest reflection is achieved when the thickness of the Si₃N₄ layer is 62 nm. In the double-layer structure of MgF₂/Si₃N₄, the most optimal thicknesses were 112 and 62 nm, respectively. In addition, the electrical performance of the cell was carried out in two ideal (defect-free) and real (taking into account volumetric and surface defects) states. The electro-optical analysis showed that the presence of defects can reduce the cell efficiency by about 50% compared with the ideal state.

کلیدواژه‌ها English

Thin-film silicon solar cell
Electro-optical simulation
Anti-reflective layer
Volume defect
Surface defect
1.     K Hansen, C Breyer and H Lund, Energy 175 (2019) 471.
2.     Y Chen, J Hong, Q Wen, W Yi and S Zheng, Earth's Future 12 (2024) e2024EF004535.
3.     A Lorestani and M M Ardehali, Renew Energy 119 (2018) 490.
4.     J M Hodgkiss, JACS Au 4 (2024) 3321.
5.     C Singh and S H Kumar, Anti-reflection Light Trapping c-Si Sol Cells (Springer, 2018) 43.
6.     H J Snaith, J Phys Chem Lett 4 (2013) 3623.
7.     S Bhattacharya and S John, Sci Rep 9 (2019) 12482.
8.     H Heidarzadeh, A Rostami and M Dolatyari, Mater Sci Semicond Process 109 (2020) 104936.
9.     X Wang, J Yan, C Zeng, C Luo and C Wang, Appl Surf Sci 602 (2022) 154408.
10. M A Green, IEEE Trans Electron Devices 31 (1984) 671.
11. M A Elrabiaey, M Hussein, M F O Hameed and S S Obayya, Sci Rep 10 (2020) 17534.
12. A Jalali, M R Vaezi, N Naderi, F Tajabadi and A Eftekhari, Appl Chem Today 15 (2020) 343.
13. S Taravati, A A Kishk and G V Eleftheriades, IEEE Antennas Propag Mag (2025), in press.
14. J E Houle and D M Sullivan, Electromagnetic Simulation Using the FDTD Method with Python (Wiley, 2020).
15. J Piprek, Semiconductor Optoelectronic Devices: Introduction to Physics and Simulation (Elsevier, 2013).
16. L L E Black and D H Macdonald, Sol Energy Mater Sol Cells 234 (2022) 111428.
17. Y M Law and J C Nave, J Sci Comput 88 (2021) 72.
18. H K Singh, B Arunachalam, S Kumbhar, P Sharma and C Solanki, Plasmonics 11 (2016) 323.
19. P Pathi, A Peer and R Biswas, Nanomaterials 7 (2017) 17.
20. K Islam, A Alnuaimi, H Ally and A Nayfeh, Proc Eur Model Symp (IEEE, 2013).
21. M M Diop, A Diaw, N Mbengue, O Ba, M Diagne and O A Niasse, Mater Sci Appl 9 (2018) 705.
22. G J Blayney, Investigation of Wafer Processing Technologies for the Production of Low Cost, Improved Efficiency Si PV Cells (Swansea University, 2014).

تحت نظارت وف بومی