دانلود مقاله آشنایی با سلول خورشیدی با فرمت ورد ودر 25 صفحه قابل ویرایش

قسمتی از متن مقاله

در حال حاضر علاقۀ بسیار زیادی در استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر وجود دارد. یکی از روشهای تولید انرژی پاک،استفاده از نور خورشید و تبدیل آن به انرژی الکتریکی است. متأسفانه تا کنون بازده سلولهای خورشیدی بسیار کم استیعنی درصدی از نور خورشید که به انرژی الکتریکی تبدیل میشود زیاد نیست. تلاشهای بسیار زیادی در بهینهسازیسلولهای خورشیدی در حال انجام است. به همین دلیل سلولهای خورشیدی که یکی از حوزههای داغ در گرایش حالتجامد و مادهچگال است. سلولهای خورشیدی معمولا از ترکیب و لایهنشانی نیمرساناها تولید میشود. در این آزمایش مابه بررسی خواص یک سلول خورشیدی خواهیم پرداخت.

مدل و نظریه

سلول خورشیدی تشکیل شده از یک اتصال نیمرساناهای نوعp و نوعn است. همان طور که میدانید نیمرساناهاموادی هستند که گاف انرژی (E_g = ۱٫۱ev در سیلیکون) کمی بین نوار رسانش و نوار والانس آنها وجود دارد. اگرنیمرسانایی را گرم کنیم تعدادی از الکترونها به نوار رسانش رفته و رسانندگی نیمرسانا افزایش مییابد. با افزودن ناخالصینیز میتوان رسانندگی نیمرسانا را افزایش داد. اگر مقدار کمی اتمهایی که یک الکترون بیشتر و یا یک الکترون کمتر دارندرا به صورت ناخالصی به نیمرسانایی (مانند سیلیکون) اضافه کنیم، نتیجه آن است که شکل شبکۀ نیمرسانا تغییر نکرده ودرنتیجه نوار انرژی دست نخورده میماند، اما به دلیل افزایش یا کاهش الکترونها جمعیت حاملهای بار نوارهای انرژیتغییر میکند. ممکن است نوار والانس خالیتر شده و در نتیجه قابلیت رسانایی توسط جاهای خالی (حفرهها) به وجودبیاید. به چنین مادهای نیم رسانای نوعp میگوییم. یا ممکن است نوار رسانش با الکترونهای اضافی پر شده و در نتیجهقابلیت رسانایی توسط این الکترونهای اضافی ایجاد شود که به اصطلاح نیم رسانای نوعn خواهیم داشت. نیمرساناینوعn یاp در حالت عادی از لحاظ بار الکتریکی خنثی است. چرا که هستۀ اتم ناخالصی با تعداد الکترونش بار خنثیایجاد میکنند. یعنی اگر اتم سه ظرفیتی به سیلیکون اضافه شود، یک الکترون و یک پروتون کمتر دارد که در کل بار خنثیدارد.

وقتی دو نیمرسانای نوعn وp را مانند شکل ١ به هم وصل میکنیم (این کار با لایهنشانی انجام میشود نه تماسمکانیکی!). تغییری در ناحیۀ اتصال رخ میدهد. به دلیل زیاد بودن غلظت حفرهها در نیمرسانای نوعp و زیاد بودنغلظت الکترونهای اضافی در نیمرسانای نوعn یک جریانی از الکترون و حفره ایجاد میشود که به جریان پخشی شناختهمیشود. یعنی الکترونها وارد ناحیۀp شده و حفرهها هم کمی به ناحیۀn نفوذ میکنند. این باعث میشود تا نیمرسانایp در محل اتصال کمبود حفره داشته و ناحیۀn کمبود الکترون داشته باشد. این لایه را لایۀ کاهش^[1] میگویند. مسلما جریان

شکل ١: اتصالpn . حفرهها باh و الکترونها باe نشان داده شدهاند. سمت راست نیمرسانای نوعn بوده که الکترونهایآزاد دارد و سمت چپ نیمرسانای نوعp بوده که حفرههای آزاد بیشتری دارد. هر دو نیمرسانا از نظر الکتریکی خنثیهستند و ذرات نمایشداده شده ذرات آزاد هستند. یعنی در سمت راست به تعداد الکترونهای آزاد، پروتونهای مقید بودهو در سمت چپ به میزان حفرهها، کاهش پروتون مقید داریم.

پخشی به خاطر اختلاف غلظت تا ابد وجود نخواهد داشت و اندازۀ ناحیۀ کاهش باید محدود باقی بماند. عامل متوقفکنندۀ این جریان پخش میدان الکتریکیای است که با این جریان مخالفت میکند. در واقع یک تعادلی بین جریان حاصلاز پخش و جریان سوق الکترون و حفره به وجود میآید و شکل ٢ حاصل میگردد. به پتانسیل حاصل از این تعادلپتانسیل پخش گفته میشود و آن را باU_d نشان میدهیم. مقدار این پتانسیل بینv ۵٫۰ تاv ۷٫۰ است.

حالا این مجموعه رفتار یک سو کنندۀ جریان و سلول خورشیدی را دارد. برای فهمیدن این موضوع باید دو مفهوم رامعرفی کنیم.

فرض کنید در سمت راست که نیمرسانای نوعn داریم، خارج از لایۀ کاهش (در عمق نیمرسانا) هستیم. در این ناحیهبه دلیل افت و خیزهای گرمایی امکان دارد که یک الکترون از نوار والانس به نوار رسانش پریده و یک جفت الکترون وحفرۀ آزاد ایجاد شود. اگر این حفره بتواند به لایۀ کاهش برسد، به سرعت به سمت نیمرسانای نوعp سوق داده میشود.چون در ناحیۀ کاهش میدان الکتریکی به گونهای است که حفرهها را به سمت نیمرسانای نوعp سوق میدهد (پتانسیلالکتریکی کمتر). چنین فرآیندی میتواند جریانی از حفره ایجاد کند که به آن جریان تولید حفره^[2] گفته میشود، ما اینکمیت را باJ_h^gen نشان میدهیم. امکان دار به صورت عکس حفرهای از قسمتp بر سد پتانسیل غلبه کرده (انرژی آنحفره به اندازۀ کافی زیاد است) و پس از عبور از لایۀ کاهش به ناحیۀn برسد، در این صورت این حفره با یکی از الکترونهاترکیب شده و باعث میشود الکترون آزادی به نوار والانس آمده و جای خالی (حفره) را در نوار والانس پر کند. این رخداد

شکل ٢: اتصالpn در حالت تعادل. حفرهها باh و الکترونها باe نشان داده شدهاند. به دلیل اختلاف غلظت الکترونسمت راست و چپ الکترونها به سمت چپ نفوذ میکنند (پخش). همین اتفاق برای حفرههای سمت چپ میافتد.نتیجه این که مقداری عدم توازن بار ایجاد میشود و این عدم توازن اختلاف پتانسیلی در محل اتصال ایجاد میکند بهگونهای که نفوز الکترونها در نیمرسانایp سختتر شده. هر چه نفوذ الکترون و حفره بیشتر شود این پتانسیل قویترشده و در نتیجه یک تعادل بین پخش شدن آنها بر قرار میگردد.

به عنوان بازترکیب^[3] شدن شناخته میشود. چگالی جریان حاصل از این موضوع را چگالی جریان بازترکیب گفته که باJ_h^rec نشان میدهیم. مشابه همین اتفاق با کمی تفاوت برای الکترونها میافتد با این تفاوت که جریان الکترونها دقیقاعکس حفرهها میشود. یعنی در تولید، جفت الکترون حفره در قسمتp تشکیل شده و با حرکت ولگشت به لایۀ کاهشمیرسد و به دلیل میدان الکتریکی به راحتی به ناحیۀn میرود (بار الکترون معکوس بار حفره است). به همین منوالبرخی از الکترونهای ناحیۀn میتوانند بر سد انرژی لایۀ کاهش غلبه کرده و وارد ناحیۀp شده و با یک حفره بازترکیبشود و انرژی آزاد کند. در نتیجه دو چگالی جریان را در جهت معکوس خواهیم داشت. اما جریان الکتریکیحاصل از مهاجرت الکترونها با جریان الکتریکی حاصل از مهاجرت حفرهها همسو است چرا که بار الکترون و حفرهمخالف است.

عمل سلول خورشیدی در ایجاد و تحریک جریانِِ تولید جفت الکترون حفره است. در واقع فوتونها باعث میشوندتا انرژی تحریک لازم برای تشکیل زوج حفره و الکترون ایجاد شود. چگالی جریان حاصل از جذب فوتونها که باعثتولید جفت الکترون حفره میشود را هم باg نشان میدهیم.

قبل از هر چیز جریانهای تولید و بازترکیب را باید به دست بیاوریم. میدانیم این جریانها از افت و خیزهای گرماییناشی میشوند. به علاوه جریانِِ تولید به پتانسیل پخش لایۀ کاهش ربطی نداشته و مستقل از آن است. اما در عوضجریانِِ بازترکیب به سدپتانسیل مربوط است چرا که حفرهها یا الکترونها باید از این سد بگذرند. از مکانیک آماریمیدانیم اگر ذرهای بخواهد با افت و خیز گرمایی بخواهد بین دو تراز با اختلاف انرژی ۰E > ∆ برود (از انرژی کمتر به

بالاتر) نرخ چنین رخدادهایی متناسب با (exp(−∆E/k_BT است کهk_B ثابت استفان بولتزمن وT دمای ماده است.طبیعتا هر چه اختلاف انرژی بالاتر باشد این نرخ پایینتر میآید و اگر دما هم بالا باشد احتمال وقوع این پرش بیشترخواهد بود. پس میتوانیم چگالی جریانِِ بازترکیب حفره و الکترونها را تا حدودی بنویسیم. اگر پتانسیل الکتریکیV به دو سر دیود اعمال شده باشد به گونهای کهV اختلاف پتانسیل اعمال شدۀ به ناحیۀp با ناحیۀn باشد، چگالی جریانِبازترکیب حفره متناسب میشود با

(١)

کهr_h−rec نرخ این واکنش است. میدانیم در ۰ =V جریانِ بازترکیب و جریانِِ تولید یکدیگر را خنثی میکنند.یعنی اندازۀ آنها برابر است. به علاوه همان طور که گفتیم چگالی جریانِِ تولید به اختلاف پتانسیل مربوط نخواهد بود. از