Spektral ayrıştırma için nanofotonik yapıların tasarlanması
Design of nanophotonic structures for spectral splitting
Yazar: MUHAMMED NECİP ERİM
Danışman: PROF. DR. HAMZA KURT
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında paralel eklemli güneş hücreleri için spektral ayrıştırma yapmak adına bir yapı tasarlanmıştır. Bu yapının performansının değerlendirilmesi için ise paralel eklemli InGaP/GaAs güneş hücresi tasarımı da yapılmıştır. Bu çerçevede spektral ayrıştırma yöntemleri ve literatürde yer alan çalışmalar detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Ayrıca güneş hücresi tasarlamak için gerekli olan altyapının sağlanması adına güneş hücreleri ve yarıiletkenler üzerinde de durulmuştur. Tasarlanan spektral ayrıştıcı yapısı kırınım ızgaraları kullanılarak oluşturulduğu için kırınım ızgaraları da detaylı bir şekilde analiz edilmiştir.
Bu kapsamda, güneş spektrumunu lateral dizilmiş InGaP/GaAs güneş hücresi için iki ayrı parçaya ayrıştıran kırınım özellikli bir optik elemanın tasarımı sunulmaktadır. Optik simülasyonlar, üç boyutlu zaman alanında sonlu farklar yöntemi kullanılarak yapılmış olup sonuçlar, tasarlanan yapının optik performansını değerlendirmek için detaylı bir şekilde gösterilmiştir. Tasarlanmış ayırıcı için geri yansımayı önleyici katman tasarımı da yapılmış ve etkileri ortaya konmuştur. Optik analize ek olarak, tasarlanan spektrum ayırıcıyı InGaP/GaAs güneş hücresine entegre ederek elektriksel performansını göstermek adına elektriksel simülasyonlar gerçekleştirilmiş olup akım yoğunluğunun ve güç yoğunluğunun voltaja göre eğrileri ayrı ayrı sunulmuştur. Elektriksel simülasyonların sonuçları, tasarlanan paralel eklemli InGaP/GaAs güneş hücresinin, konsantre olmayan güneş ışığı altında en iyi % 16,8 verime sahip olduğunu göstermektedir. Spektral ayrıştırma yapısının parametreleri sezgisel olmayan optimizasyon algoritmalarının dahil edilmesiyle optimize edilirse daha fazla gelişme sağlanabilir. Ayrıca, tasarlanan güneş hücresinin verimliliğini arttırmak için ışık tuzaklama yöntemleri de düşünülebilir.
Spektral ayrıştırıcı tasarımına ek olarak Si güneş hücreleri için ışık tuzaklama amaçlı bir nano ızgara tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu nedenle ışık tuzaklama yöntemleri de detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Yapılan çalışmada fotovoltaik uygulamalarda ışık yakalama ve soğurma verimliliğini artırmak için azaltılmış yansıma kayıpları ve odaklanma özelliğine sahip yeni bir geri yansımayı önleyici katman tasarımı önerilmektedir. Gerçekleştirilen tasarım, tek bir yapıda geri yansımayı önleyici katman ve ızgara lensinin etkin bir kombinasyonunu sunmaktadır. Önerilen yapı, güneş hücrelerinin verimliliğini artırmak için iyi bir aday olabilir.

Abstract:
In this thesis, a structure is designed to make spectral splitting for parallel junction solar cells. Parallel junction InGaP/GaAs solar cell design was also proposed in order to evaluate the performance of the spectral splitting device. In this context, spectral splitting methods and the studies in the literature are explained in detail. In addition, solar cells and semiconductors have been emphasized in order to provide the necessary knowledge for designing solar cells. Since the designed spectral splitting structure was formed using diffraction gratings, the diffraction gratings were also analyzed in detail.
In this context, the design of an optical element with diffraction property, which divides the solar spectrum into two separate parts for a laterally aligned InGaP/GaAs solar cell is presented. Optical simulations were performed using the three-dimensional finite difference time domain method and the results were shown in detail to evaluate the optical performance of the designed structure. An anti-reflection coating design was also proposed for the designed splitter and its effects were demonstrated. In addition to optical analysis, electrical simulations were performed to demonstrate the electrical performance by integrating the designed spectrum splitter onto the InGaP/GaAs solar cell and the curves of current density and power density versus voltage are presented separately. The results of electrical simulations show that the designed parallel junction InGaP/GaAs solar cell has the best efficiency of 16.8% under unconcentrated sunlight. Further improvements can be achieved if the parameters of the spectral splitting device are optimized by the inclusion of non-heuristic optimization algorithms. In addition, light trapping methods may be considered to increase the efficiency of the designed solar cell.
In addition to the spectral splitting design, a nano grating design for light trapping for Si solar cells was realized. Therefore, light trapping methods are also described in detail. In this study, a new anti-reflection coating design with reduced reflection losses and focusing is proposed to increase the light capture and absorption efficiency in photovoltaic applications. The design offers an effective combination of anti-reflection coating and grating lens in a single structure. The proposed structure can be a good candidate to increase the efficiency of solar cells.