Ara bant yapılı güneş pillerinin sonlu fark metodu ile modellenmesi
Modelling intermediate band solar cell using finite difference method
Yazar: MAHMUT BÜYÜKBAŞ
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: Elektronik = Electronics ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Güneş pilleri = Solar cells

Özet:
Bu çalışmada, yarı-iletken malzemenin baz bölgesine yerleştirilen bir ara bant (AB) sayesinde yarı iletkene üç farklı enerji aralığı kazandıran ve dolayısıyla çıkış gerilimi düşmeden daha fazla enerji aralığındaki fotonların soğurulmasına imkan sağlayan Ara bant Yapılı Güneş Pili (ABGP), sonlu fark metodu kullanılarak matematiksel olarak yeniden modellenmiştir. Gerekli integral hesaplamaları yamuk yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Sonlu fark metodu kullanarak elde ettiğimiz denklemler Gauss Eleme metodu kullanılarak çözülmüştür. Bu hesaplamalar sonucu, ABGP'de mobilitenin, ışık konsantrasyonunun, enerji durum yoğunluğunun, baz bölgesi kalınlığının ve AB enerji seviyesinin verim üzerindeki etkileri elde edilmiştir. Ayrıca bu parametrelerin taşıyıcı yoğunluğu ve akım yoğunluğu değerlerinin baz bölgesi boyunca değişimlerini nasıl etkilediği incelenmiştir. Hesaplamalarda ABGP için optimum band aralığı olan 1.95 eV kullanılmıştır ve nonlineerlik etkisi ihmal edilerek literatür ile uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Buna göre, enerji durum yoğunluğu değeri 1019 cm-3 ve mobilite 2000 cm2/Vs'nin üzerinde olduğunda maksimum verim %63.8 olarak elde edilmektedir. Enerji durum yoğunluğu 1017 cm-3 ve mobilite 200 cm2/Vs'nin altına indiğinde verimde önemli oranda azalma tespit edilmiştir. Verimin ışık konsantrasyonu ile logaritmik bir artış sergilediği tespit edilmiştir. Optimum soğurma sağlanabilmesi için, optimum baz bölgesi kalınlığının mobilitenin 200 cm2/Vs'den büyük değerleri için 5 µm olması gerektiği gözlenmiştir. AB enerji seviyesininse detaylı denge modeli ile hesaplanan 0.71 eV'da bulunduğu bu yöntemle de gösterilmiştir. Emitter etkisi modele dahil edilerek, emitter kalınlıklarının verime etkisi elde edilmiştir.

Abstract:
The Intermediate band solar cell which is obtained through disposing an intermediate band into the base region of semiconductor material and gained three different energy intervals thus providing more energy interval photon absorbing without decreasing output voltage, is mathematically remodeled by using finite difference method. Necessary integral equations are solved using trapezoidal rule. The equations that we obtained using finite difference method are solved using Gauss elimination method. As a result of these calculations, the effects of carrier mobility?s, light concentration, density of states, base region width and intermediate band energy level on the efficiency are obtained. Besides, the effects of these parameters, on the carrier concentration and current density variations along the base region are also investigated. The optimum band gap value of 1.95 eV is used during calculations and it is seen that the results are in agree with literature with neglecting nonlinear effect. The maximum efficiency value is obtained as 63.8% when the density of states is equal or over to 1019 cm-3 and the mobility is higher than 2000 cm2/Vs. An important amount of decrement in the efficiency is seen when the density of states is lower than 1017 cm-3 the mobility is lower than 200 cm2/Vs. It is obtained that efficiency shows a logarithmic increment with the light concentration. It is observed that the optimum base width should be 5 µm to ensure optimum absorption when the mobility is higher than 200 cm2/Vs. It is shown that the same optimum intermediate band level of 0.71 eV is found using finite difference method. Finally, the effects of emitters are added to the model and the effect of emitter thickness on the efficiency is investigated.