Kuantum noktalı ara bant yapılı güneş pillerinin tasarımı ve verim optimizasyonu
Design and optimization of efficiency in quantum dot intermediate band solar cells
Yazar: VOLKAN KIZILOĞLU
Danışman: PROF. DR. MÜZEYYEN SARITAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell

Özet:
Tek ara bantlı yapılı güneş pilleri (ABGP), tek eklemli güneş pillerine göre güneş spektrumunun daha verimli kullanımını sağlamaktadır. Bu çalışmada, Detaylı Denge Modeli kullanılarak yeni Model-B ABGP incelendi ve daha önce kullanılan, burada Model-A ve Model-C olarak adlandırılan, iki model ile karşılaştırıldı. Soğurma katsayıları arasında örtüşme yokken, üç ABGP modelinin verimi, 1,95 eV için %63,20 ve GaAs için %59,90 olarak bulunmuştur. 4 eV örtüşmede, Model-B, Model-C ve Model-A için GaAs pil verimleri, sırasıyla %45,86, %41,32 ve %35,80 olarak bulunmuş ve Model-B'nin diğer iki modele göre daha verimli olduğu görülmüştür. ABGP pil verimi, ışık şiddetinin logaritmasıyla lineer olarak artmaktadır. GaAs ABGP'de maksimum verim için AB durum yoğunluğu en az 5x1017 cm-3 olması gerekmektedir. Elektron ve boşluk yakalama kesit alan oranlarının 0,01-100 aralığında, optimum AB doluluk oranları 1 ile 0 arasında değişmektedir. Büyük örtüşme durumunda, taşıyıcı yakalama kesit alanları çok farklı iken, Model-B'nın verimi, Model-A'nın veriminden %35 daha büyüktür. 1-3,5 eV bant aralığındaki ABGP'lerde, örtüşmenin olumsuz etkilerini azalttığından Model-B'nin verimi, Model-A'ya göre çok yüksektir. Sonuçlar, Model-B kullanılarak, geniş bant aralığındaki malzemelerin, 10000X'te ve en büyük örtüşmede, %50 üzerinde verime sahip ABGP üretimine uygun olabileceğini göstermektedir. Bu çalışmada, ayrıca InAs/GaAs kutu şekilli kuantum noktalı ara bant yapılı güneş pilinin (KN-ABGP) verimi, detaylı denge modeli kullanılarak araştırıldı. AB enerji seviyeleri ve alt bant soğurma katsayıları, farklı kuantum nokta boyutları için eşit etkin kütle ve etkin kütle uyumsuzluğu durumları göz önüne alınarak tek bant ve dört bant k.p metodu ile hesaplanmıştır. Eşit etkin kütle ve etkin kütle uyumsuzluğu durumlarında, KN boyutlarının artmasıyla alt bant soğurma katsayıları ve AB enerji seviyelerinin sayısı artmıştır. Detaylı denge modelinde, AB enerji seviyelerinin sayısının KN boyutlarıyla artması sonucu ara bant fotoakım yoğunluğunun düştüğü tespit edilmiştir. Kuantum noktaların varlığıyla KN-ABGP kısa devre akım yoğunluklarında önemli bir artış görülmezken açık devre voltajı düşmüştür. Sonuç olarak, InAs/GaAs KN-ABGP verimi %28,40, ideal GaAs ABGP verimi %52,16 ve konvansiyonel GaAs güneş pilinin verimi %34,72 olarak bulunmuştur.

Abstract:
Intermediate band solar cells, IBSCs, with single IB provide better utilization of the solar spectrum than single-junction solar cells. In this study, the new Model-B IBSC was investigated using the Detailed Balance Model and compared with previously used two models and named here as Model-A and Model-C, respectively. For the three IBSC models under non-overlapping absorption coefficients, the maximum efficiencies were found as 63.20% for 1.95 eV and 59.90% for GaAs. With 4 eV overlap, the cell efficiencies for Model-B, Model-C, and Model-A of GaAs IBSCs were calculated as 45.86%, 41.32%, and 35.80% respectively, and Model-B was found to be more efficient than the other two models. The efficiency of IBSC increased linearly with the logarithm of the light concentration. The density of IB states should be at least 5x1017 cm-3 for maximum efficiency in GaAs IBSC. The optimum IB filling changed between 1 and 0 with 0,01 and 100 ratios of electron/holes capture cross-sections. The peak efficiency of Model-B was 35% over Model-A, at large non-equal capture cross-sections under 4 eV of overlapping. In the 1-3.5 eV range of bandgaps, Model-B reduced the negative influence of large overlapping, and the efficiency of Model-B became much higher than Model-A. Results predicted that the materials in the wide range of bandgaps could be good candidates for fabricating IBSCs using Model-B with an efficiency over 50% at 10000X under large overlapping. In this study, the efficiency of InAs/GaAs box-shaped quantum dot intermediate band solar cell (QD-IBSC) has also been investigated using the detailed balance model. The IB energy levels and sub-band absorption coefficients were determined with the single band k.p and four-band k.p methods, by changing the quantum dot size for equal effective mass and effective mass mismatch cases. The sub-bandgap absorption coefficients and the number of IB energy levels increased with the QD size for both equal effective mass and the effective mass mismatch cases. In the detailed balance model, the intermediate band photocurrent density was decreased as the number of IB energy levels increased with the QD size. With the presence of quantum dots, while there was no significant increase in short circuit current densities of QD-IBSC, the open-circuit voltage decreased. As a result, the efficiencies were found as 28.40% for InAs/GaAs QD-IBSC, 52.16% for ideal GaAs IBSC, and 34.72% for conventional GaAs solar cells.