Arabant yapılı güneş pillerinde verim optimizasyonu
Efficiency optimizastion in intermediate band solar cells
Yazar: TUĞBA SELCEN NAVRUZ
Danışman: PROF. DR. MÜZEYYEN SARITAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Fotovoltaik enerji = Photovoltaic energy ; Güneş pilleri = Solar cells ; Güneş sistemi = Solar system ; Rekombinasyon = Recombination

Özet:
Son nesil güneş pillerinde hedef, yarı iletken malzemenin enerji bant aralığından daha küçük enerjiye sahip fotonların soğurulamamasından ve yüksek enerjili fotonların, termalizasyonla yok olmasından kaynaklanan kayıpların azaltılmasıdır. Bu tez çalışmasında, n+-i-p+ yapılı baz bölgesine yerleştirilen bir ara bant (AB) sayesinde, bant aralığından daha az enerjiye sahip fotonları da soğuran, yeni ara bant yapılı güneş pilleri (ABGP) üzerinde nümerik analizler yapılmıştır. AB, ABGP'nin çıkış gerilimini azaltmadan, foto akımının artmasını sağlamaktadır. ABGP'nin çalışma performansı, detaylı denge modeli (DDM) ve kuasi-sürüklenme-difüzyon modeli (KSDM) kullanılarak, iki farklı modelle incelenmiştir.DDM uygulandığında, ideal şartlarda, verim, EG=1,95 eV için %63,2 ve EG=1,12 eV için %54,8 olarak bulunmuştur. Örtüşmenin ABGP performansı üzerindeki etkileri detaylı olarak incelenmiştir. Soğurma katsayıları arasında örtüşme meydana geldiğinde, ABGP veriminin hızla düştüğü görülmüştür. Bant aralığından daha büyük enerjiye sahip fotonların termalizasyonla kaybolmasından kaynaklanan kayıplar da, Auger üretimi yoluyla taşıyıcı çoğullaması sayesinde, azaltılmıştır. Burada, Auger etkisi içeren dört farklı ABGP yapısı incelenmiş ve maksimum verim, silisyumun bant genişliğine yakın bantlarda ve %70 civarında bulunmuştur.KSDM kullanılarak; mobilitenin, etkin enerji durum yoğunluğunun ve yüksek ışık konsantrasyonundan dolayı ortaya çıkan doğrusal olmayan terimlerin (DOT), ABGP verimine etkileri araştırılmıştır. ABGP veriminin, küçük taşıyıcı mobilitesi, küçük etkin enerji durum yoğunluğu ve DOT içeren yüksek ışık konsantrasyonu değerlerinde azaldığı görülmüştür. KSDM'de, etkin enerji durum yoğunluğu 1019 cm-3'den 1017 cm-3'e düştüğünde, sadece verim azalmamış, aynı zamanda optimum AB ve optimum baz kalınlığı da değişmiştir. Yeni optimum AB ve optimum baz kalınlığı değerleri kullanıldığında ise, verimde %15 civarında bir iyileşme sağlanmıştır.Son olarak, baz bölgesindeki elektron ve boşlukların homojen olmayan üretim ve rekombinasyonundan kaynaklanan dahili elektrik alan etkisi, KSDM kullanılarak incelenmiştir. Ara bandın, baz bölgesi boyunca yarı dolu tutulabilmesi halinde, dahili elektrik alanın, verimi değiştirmeyeceğine sonucuna varılmıştır.

Abstract:
The last generation photovoltaic devices aim to tackle the losses associated with the non absorption of below band gap photons and the thermalisation of above band gap photons to the band edges. In this thesis, numerical analysis were carried out on the new intermediate band solar cell (IBSC) that absorbs the sub-band gap photons through the intermediate band (IB) inserted inside the base region of n+-i-p+ structure. IB increases the photocurrent of the IBSC without decreasing the output voltage. The operation performance of IBSC has been investigated by two different mathematical models that are the detailed balance model (DBM) and the quasi-drift-diffusion model (QDDM), respectively.Maximum efficiency was obtained as 63,2% for EG=1,95 eV and 54,8% for EG=1,12 eV, under ideal conditions, when DBM has been applied. The effect of overlap on the performance of IBSC has been analyzed in detail. It was seen that the efficiency was decreased sharply when the overlap existed between absorption coefficients. The losses due to the thermalisation of the above band gap photons to the band edge, have also been reduced by carrier multiplication via Auger generation. Four types of IBSC including the Auger mechanism have been investigated and the maximum efficiency obtained was about 70% at nearly the band gap of silicon.The effects of mobility, effective density of states and non-linearity term due to high concentration of sun light on the efficiency of IBSC have also been studied using QDDM. The efficiency has been reduced at lower mobility values of excess carriers, at lower density of states and higher sun concentration including non linearity term. When the effective density of states was reduced from 1019 cm-3? to 1017 cm-3 in QDDM, not only the efficiency of IBSC has been reduced but also the optimum IB and the optimum base width has been changed. When the new optimum IB and the optimum base width values were used, the efficiency was improved by amount of 15%.Finally, the effect of internal electric field due to the non uniform generation of the electrons and the holes in the base region has been investigated using QDDM. It was concluded that, this internal electric field would not affect the efficiency of IBSC when the IB could be kept half filled through the base layer.