Çok eklemli güneş pillerinde detaylı denge modeli ile verim optimizasyonu
Efficiency optimization using detailed balance method in multi-junction solar cells
Yazar: GÖKHAN ŞENAY
Danışman: YRD. DOÇ. DR. TUĞBA SELCEN NAVRUZ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Verimlilik = Productivity

Özet:
Geleneksel p-n eklem güneş pillerinde verim kaybına sebep olan iki önemli etken; enerjisi yasak band aralığından düşük olan fotonların soğurulamaması ve yüksek enerjili fotonların fazlalık enerjilerinin ısıya dönüşmesidir. Bu iki kayıp mekanizması, fotovoltaik çevrimde güneş enerjisinin yaklaşık yarısının kullanılamadığı anlamına gelmektedir. Son nesil güneş pilleri; bu kullanılamayan enerjiden yararlanarak, verimi artırmayı hedeflemektedir. Bu tez çalışmasında, son nesil güneş pilleri arasında pratikte uygulaması mevcut tek ürün olan çok eklemli güneş pillerinin verimine yönelik teorik analizler yapılmıştır.Siyah cisim (black body) ışıması altında yapılan tüm analizlerde Detaylı Denge Modeli kullanılmıştır. Çok eklemli güneş pilinin verimde nasıl iyileşme sağladığının görülmesi için, öncelikle geleneksel p-n eklem güneş pilinin verim analizi yapılmıştır.Geleneksel p-n eklem güneş pilinde, EG=1.31 eV için verim sınırı %31.162 olarak hesaplanmıştır. İki eklemli monolitik güneş pilinde, EG1=1 eV ve EG2=1.71 eV için verim sınırı %42.668 olarak elde edilmiştir. Ge (0.7 eV) yarı-iletkeninin alttaş ve üçüncü p-n eklemi olarak kullanıldığı hesaba katılan üç eklemli monolitik güneş pilinde, EG2=1.21 eV ve EG3=1.87 eV için verim sınırı %48.27 olarak bulunmuştur. Ayrıca, ışık konsantrasyonu arttıkça, verimin logaritmik olarak arttığı gözlemlenmiştir.İki eklemli ve üç eklemli güneş pillerinde üstteki p-n ekleminin kalınlığı ayarlanarak akım uyumlandırması (current matching) işlemi yapılmıştır. İki eklemli GaAs (1.42 eV)/Ge (0.7 eV) ve üç eklemli GaInP (1.9 eV)/GaInAs (1.4 eV)/Ge (0.7 eV) güneş pilinde, en üstteki p-n ekleminin kalınlığının belirli bir değere kadar azaltılması ile verimin yükseldiği görülmüştür.Son olarak; Auger üretim ve rekombinasyonunun, optimum EG`li tek eklemli ve iki eklemli monolitik güneş pilleri ile GaAs (1.42 eV)/Ge (0.7 eV) iki eklemli monolitik güneş pilinde verime etkisi incelenmiştir. p-n eklem güneş pilinde, Auger mekanizmasının çoğullama olasılığına (?) bağlı olarak verimde önemli oranda artış sağladığı görülmüştür. Optimum EG'li iki eklemli güneş pilinde ve GaAs (1.42 eV)/Ge (0.7 eV) güneş pilinde Auger mekanizmasının verime neredeyse hiç etkisinin olmadığı görülmüştür. İki eklemli pillerde üstteki p-n eklemi inceltildiğinde, Auger mekanizmasının verimde kayda değer oranda katkı sağladığı müşahede edilmiştir. Buradan, Auger mekanizmasının çok eklemli monolitik güneş pillerinde verime etkisinin, üstteki p-n ekleminin kalınlığına bağlı olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
The two most important power-loss mechanism in single bandgap cells are the inability to absorb photons with energy less than the bandgap and thermalization of photon energies exceeding the bandgap. These two mechanism alone amount to the loss of about half of the incident solar energy in photovoltaic conversion. Last generation solar cells aim to increase efficiency by harnessing some of these wasted energy. In this thesis, theoretical analysis were carried out on the multi-junction solar cells, the only ones ever been realized among the last generation solar cells.Detailed Balance Model was used in all analysis performed under black body radiation. To be able to realize efficiency improvement in multi-junction solar cells, efficiency analysis on single bandgap solar cell was performed firstly.Maximum efficiency in the single bandgap solar cell was calculated as %31.162 for EG=1.31 eV. In the double junction monolithic solar cell, maximum efficiency was obtained as %42.668 for EG1=1 eV and EG2=1.71 eV. In the triple junction monolithic solar cells in which Ge (EG1=0.7 eV) is considered to have been used as substrate and third layer, maximum efficiency was obtained as %48.27 for EG2=1.21 eV and EG3=1.87 eV. It is also observed that efficiency increases logarithmically with light intensity.Current matching process was performed on the double and triple junction solar cells by adjusting the top-cell thicknesses. In the double junction GaAs (1.42 eV)/Ge (0.7 eV) and triple junction GaInP (1.9 eV)/GaInAs (1.4 eV)/Ge (0.7 eV) solar cells, it was seen that efficiency increases as the top-cell is thinned to a constant value.Finally, the effect of Auger generation and recombination on the efficiency of single junction and double junction monolithic solar cells with optimum bandgaps and GaAs (1.42 eV)/Ge (0.7 eV) solar cells has been investigated. In the single junction solar cell, it was seen that Auger mechanism, depending on the multiplication probability (?), led to significant increase in the efficiency. In the double junction monolithic solar cells with optimum bandgap and GaAs (1.42 eV)/Ge (0.7 eV) solar cells, it was observed that Auger mechanism have almost no effect on the efficiencies. The top cell in double junction monolithic solar cells having been thinned, it was witnessed that Auger mechanism made significant contribution on the efficiencies. It was concluded from here that the effect of Auger mechanism on the efficiency of multi-junction monolithic solar cells depends on the top cell thickness.