Введение к работе
Актуальность работы
На сегодняшний день роль и значение использования возобновляемых источников энергии приобретает все большую актуальность в связи с тем, что основные источники энергии (т.е. нефть, уголь, уран и др.) ограничены, и все более очевидными становятся последствия их использования для природного баланса на нашей планете [1,2]. В результате все большее значение приобретает солнечная энергия, достигающая земной поверхности, и которую мы можем использовать для того, чтобы преобразовать ее в экологически чистую электрическую энергию.
Солнечные элементы представляют собой фотовольтаические (или,
фотоэлектрические, далее PV) устройства, преобразующие электромагнитное
излучение солнца (т.е. свет, в том числе инфракрасного, видимого и
ультрафиолетового диапазонов) в электричество. Для их использования в
практических приложениях, необходимо, чтобы фотовольтаические
устройства удовлетворяли многочисленным требованиям. Первое требование
заключается в эффективности преобразования солнечной энергии в
электричество. Во-вторых, используемый материал должен быть недорогим,
доступным в больших количествах и нетоксичным. В-третьих, способ
производства устройства должно быть недорогим, энергоэффективным,
быстрым, простым и экологически безопасным. В-четвертых,
производительность созданного солнечного элемента должна быть стабильной в течение длительного периода времени.
С целью повышения эффективности, в последние годы развиваются технологии многослойных солнечных элементов, которые создаются из нескольких р-n переходов различных полупроводниковых материалов с различными ширинами запрещенных зон, которые обладают способностью поглощать большую часть энергии солнечного спектра.
Другим способом повышения эффективности солнечных элементов является такое использование элементов, каждый из которых использует определенную часть спектра солнечного излучения для производства электрического тока, так называемые тандемные солнечные элементы, которые могут использоваться в виде одиночного или последовательного соединения, где сила тока в обоих случаях аналогична.
В последние годы вс шире используется численное моделирование для
более глубокого понимания физических процессов, происходящих в процессе
работы тонкопленочных и многослойных солнечных элементов.
Для моделирования ряда весьма сложных полупроводниковых
приборов используется программа одномерного моделирования и анализа
микроэлектронной и фотонной структуры AMPS-1D (разработана
профессором С. Фонашом и его коллегами, Университет Пенсильвании, США).
В данной работе, в качестве объекта исследования выбраны солнечные элементы второго поколения, создаваемые на основе аморфного гидрогенизированного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe и диселенида меди-индия-галлия CIGS, и проводится исследование влияния толщины полупроводниковых слов на выходные параметры солнечных элементов, такие как, плотность тока короткого замыкания, напряжение холостого хода, фактор заполнения и эффективность, с помощью численного моделирования с использованием программы AMPS-1D. Затем, с целью получения наибольшей эффективности, с учетом полученных результатов для однопереходных солнечных элементов, разработаны и спроектированы новые тандемные многослойные структуры.
Современное состояние проблемы
В данной диссертационной работе проводится исследование тандемных многослойных солнечных элементов, созданных на основе неорганических полупроводниковых материалов солнечных элементов второго поколения, с целью получения максимальной эффективности. Для того, чтобы повысить эффективность солнечного элемента на основе а-Si:H, основное внимание должно быть уделено, главным образом, на получение более высокого тока короткого замыкания путем разработки ловушек света [3], а также более высокого напряжения холостого хода, путем применения новых методов проектирования устройств с использованием различных сплавов а-Si. Эффективность преобразования перспективного тонкопленочного солнечного элемента на основе CdS/CIGS приближается к 20% [4].
Таким образом, разработка новых структур и строения солнечных элементов на основе исследования физических процессов, происходящих в них во время преобразования энергии электромагнитного излучения в электрическую энергию, представляет актуальную задачу.
Объект исследования - физические процессы явления фотовольтаики в гетеропереходных солнечных элементах и многослойных тандемных солнечных элементах на основе гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe и диселенида меди-индия-галлия CIGS
Цель исследования заключается в теоретическом исследовании и
численном моделировании физических процессов в гетеропереходных и
многослойных тандемных солнечных элементах на основе
гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe, диселенида меди-индия-галлия CIGS, определении оптимальной структуры тандемного многослойного солнечного элемента, обладающего наибольшей эффективностью.
Иcходя из поставленной цели диссертационной работы
сформулированы и решены следующие задачи исследования:
-
Анализ теоретических основ явления фотовольтаики и систематизация экспериментальных данных по основным параметрам используемых полупроводников материалов.
-
Теоретическое исследование физических процессов фотовольтаического эффекта в солнечных фотоэлементах и их численное моделированиес использованием программы анализа микроэлектронной и фотонной структуры в одномерном случае AMPS-1D.
-
Численное моделирование физических процессов в однопереходных солнечных элементах на основе гидрогенизированного аморфного кремния и карбида кремния a-SiC:H/a-Si:H, теллурида кадмия CdS/CdTe и диселенида меди-индия-галлия CdS/CIGS и определение влияния толщин функциональных слоев на выходные параметры.
-
Разработка и дизайн новых структур многослойных тандемных солнечных элементов на основе гидрогенизированного аморфного кремния a-SiC:H/a-Si:H, теллурида кадмия CdS/CdTe и диселенида меди-индия-галлия CdS/CIGS.
-
Исследование влияния изменения структуры и толщины функциональных слов многослойных тандемных солнечных элементов на выходные параметры устройства, такие как плотность тока короткого замыкания, напряжение холостого хода, фактор заполнения и эффективность.
-
Оптимизация структуры солнечного элемента с точки зрения наибольшей эффективности при малой толщине и высокой экономичности.
Новизна исследования
-
Проведен обзор и систематизация экспериментальных данных по основным параметрам гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe и диселенида меди-индия-галлия CIGS и методами численного моделирования в системе AMPS-1D проведен анализ зависимости основных параметров однопереходных солнечных элементов на их основе от толщины функциональных слов.
-
Предложены новые структуры высокоэффективных многослойных тандемных солнечных элементов на основе гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe и диселенида меди-индия-галлия CIGS.
-
Проведено численное моделирование предложенных новых структур многослойных тандемных солнечных элементов с использованием программы AMPS-1D и исследована зависимость их эффективности от толщины функциональных слов.
-
Предложены наиболее оптимальные структуры многослойных тандемных солнечных элементов с точки зрения высокой эффективности, малой толщины функциональных слов и экономичности.
Теоретическая и практическая ценность работы.
-
Проведен сбор и систематизация экспериментальных данных по основным параметрам полупроводниковых материалов a-Si:H, CdTe и CIGS, используемых в солнечных фотоэлементах, которые могут быть использованы при моделировании эффективности приборов и устройств на их основе.
-
Проведен анализ и численное моделирование однопереходных и тандемных многослойных солнечных элементов на основе a-Si:H, CdTe и CIGS и установлена их наиболее оптимальная структура. Теоретически разработанный и промоделированный дизайн и структура предложенных оптимальных солнечных элементов могут быть воспроизведены в эксперименте и найти широкое применение из-за их низкой стоимости, экономии материала ивысокой эффективности.
Методология и методы исследования.
Теоретические исследования на основе зонной теории
полупроводников и численное моделирование с использованием программы
одномерного анализа микроэлектронной и фотонной структуры AMPS-1D.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Проведены теоретические исследования и численное моделирование фотовольтаического эффекта в однопереходных солнечных элементах и предложены оптимальные структурытандемных многослойных солнечных элементов на основе гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, теллурида кадмия CdTe и диселенида меди-индия-галлия CIGS.
-
Методами численного моделирования показано, что наибольшая эффективность однопереходного солнечного элемента на основе гидрогенизированного аморфного кремния a-Si:H, равная 19,6%, достигается при толщине i-слоя, равной 500 нм.
-
Разработана оптимальная структура тандемного многослойного солнечного элемента на основе a-SiC:H/a-Si:H иcпомощью численного моделирования показано, что ее наибольшая эффективность в 22,6% достигается при толщине промежуточного i-слоя, равной 270 нм.
-
Численным моделированием показано, что наибольшая эффективность однопереходного солнечного элемента на основе сульфида кадмия и теллурида кадмия CdS/CdTe равная 18,3%, достигается при толщине слоя CdTe равной 1000 нм и слоя CdS равной 60 нм.
-
Разработана оптимальная структура тандемного многослойного солнечного элемента CdS/CdTe, и численным моделированием показано, что его наибольшую эффективность в 31,8% можно получить при толщине p-слоя CdS, равной 50 нм, и толщине n-слоя CdS, равной 200 нм, при сохранении фиксированными толщины n-слоя CdTe в 3000 нм и p-слоя CdTe равной 1000 нм.
-
Численным моделированием однопереходных солнечных элементов на основе сульфида кадмия и диселенида меди-индия-галлия CdS/CIGS показано, что наибольшая эффективность в 17,3% достигается при толщине слоя CIGS, равной 200 нм.
-
Разработан дизайн оптимального тандемного многослойного солнечного элемента на основе CdS/CIGS и численным моделированием показано, что наибольшую эффективность данного элемента в 48,3% можно получить при толщине p-слоя CIGS равной 600 нм.
Степень достоверности результатов исследования определяется
использованием апробированных и надежных программ численного
моделирования. Полученные результаты в предельных случаях совпадают с
экспериментальными данными и известными результатами по
моделированию эффективности солнечных элементов.
Реализация результатов исследования. Развитые теоретические подходы к исследованию тандемных многослойных солнечных элементов могут найти приложения при исследовании других видов солнечных элементов. Разработанные оптимальные многослойные тандемные солнечные элементы могут послужить основанием для создания экспериментальных образцов и в дальнейшем могут быть внедрены в промышленное производство. Разработанный дизайн солнечных элементов является экономичным с точки зрения затрат на полупроводниковые материалы, а также времени и энергии на их производство и могут послужить решению энергетических проблем.
Апробация работы. Основные результаты диссертации
докладывались на следующих конференциях и семинарах: Первой
национальной конференции по новой и чистой энергии, Хамадан, Иран,
апрель 2013 года, Национальной конференции по нанотехнологиям: от
теории к приложениям, Исфаган, Иран, май 2013 года, Первой
национальной конференции по строительству будущего, Сари, Иран, май
2013, Второй национальной конференции по новой и чистой энергии,
Хамадан, Иран, 2013, Международной конференции по физике
конденсированного состояния, посвященной 85-летию академика
А.А.Адхамова, Душанбе, Таджикистан, 2013, тематические семинары по физике конденсированного состояния при Физико-техническом институте им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан (руководитель – член-корреспондент АН Республики Таджикистан, доктор физико-математических наук профессор Х.Х.Муминов, сентябрь-октябрь 2012 г., январь 2013 г., сентябрь 2015 г.)
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 статьях и трудах конференций. Из них 3 статьи опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации для публикации основных результатов диссертационной работы.
Личный вклад соискателя. Во всех опубликованных работах
основная идея и постановка задачи принадлежит научному руководителю, а
решение принадлежит автору диссертации. В третьей главе постановка задачи и решение полностью принадлежит автору диссертации, ход решения задачи и основные выводы обсуждались с научным руководителем.
Структура работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, трех глав основного содержания с выводами по каждой из них, заключения и списка использованных источников. Основная часть диссертации изложена на 122 страницах машинописного текста. Работа содержит 17 рисунков и 6 таблиц. Библиографический список включает 104 наименования.