Ara bant yapılı güneş pil veriminin ara bandın doluluk oranıyla değişimi

Abstract

Güneş pilleri, güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken devre elemanlarıdır. Düşük enerjili fotonlar (hν<EG), tek eklemli güneş pilleri tarafından soğurulamazlar. Bu sebeple, tek eklemli güneş pilleri düşük verimlere sahiptirler. Tek eklemli güneş pilleri için teorik verim sınırı %41'dir. Ara bant yapılı güneş pilleri, baz bölgesine eklenen ara bant sayesinde düşük enerjili fotonları da soğururlar. Bu sayede, ara bant yapılı güneş pilleri güneş spektrumunu daha efektif kullanırlar ve tek eklemli güneş pillerinden daha yüksek verimlere sahiptirler. Tek ara bant seviyesine sahip bir ara bant yapılı güneş pili için teorik verim sınırı %63.2'dir. İdeal modelde, taşıyıcıların valans banttan ara banda ve ara banttan iletkenlik bandına geçişlerinin kolayca gerçekleşmesi için, ara bandın yarı dolu olduğu kabul edilir. Bu çalışmada, çeşitli pil parametrelerinin, ara bandın doluluk oranının ve örtüşmenin ara bant yapılı güneş pillerinin verimlerine etkisi detaylı denge modeli kullanılarak incelenmiştir. Bant aralığı EG=1.42 eV olan GaAs yarı iletken malzeme için ara bant yapılı güneş pilinin verim sınırı %59.9 olarak bulunmuştur. Örtüşmesiz durumda, doluluk oranı 0.2-0.8 arasında değiştirildiğinde pil verimi neredeyse sabit kalmaktadır. Ancak doluluk oranı bu değerlerin dışında ise, verim büyük ölçüde azalmaktadır. Örtüşmeli durumda doluluk oranının verime etkisi, örtüşmesiz durumda elde edilen iki optimum ara bant enerji seviyesi kullanarak incelenmiştir. Bu ara bant seviyeleri için verimin, en yüksek olduğu doluluk oranlarının, 0.2 ve 0.8 civarında olduğu görülmüştür. Her örtüşme seviyesi için optimum ara bant enerji seviyeleri kullanıldığında ise, en yüksek verim noktaları, doluluk oranlarının 0.5 değerine kaymıştır. Son olarak, sonuçlar detaylı olarak tartışılmış ve yorumlanmıştır.

Solar cells are semiconductor devices that convert solar energy to electricity. The low energy photons (hν<EG) can't be absorbed by a single junction solar cell. This is the main reason why solar cells have lower efficiencies. Single junction solar cells have the theoretical efficiency limit of %41. Intermediate band solar cells (IBSCs) can also absorb low energy photon trough intermediate band (IB) inserted inside the base region of solar cell. By means of this, intermediate band solar cell use solar spectrum much more effectively than normal p-n junction solar cell and has higher efficiency. The intermediate band solar cell, with a single IB, had shown a theoretical efficiency limit of %63.2. In ideal model, the IB energy level of IBSC was assumed to be half-filled with electrons to ensure carrier transition easily from valance band to intermediate band and intermediate band to conduction band. In this study, the effect of occupation factor, overlap and cell parameters on the efficiency of IBSC has been investigated using the detailed balance model (DBM). IBSC with a single IB energy level has shown a maximum efficiency of %59.9 for EG=1.42eV of GaAs semiconductor. When the occupation factor was varied between 0.2 - 0.8, in non overlapping case, almost constant efficiency value was obtained. But, when f was beyond 0.2 and 0.8 values, the efficiency has been decreased considerably. The effect of overlapping on efficiency of IBSC has also been investigated using the two optimum IB levels obtained for non overlapping case. When these two optimum IB levels were used two maximum efficiency points were observed at around 0.2 and 0.8 respectively. If the optimum IB energy levels found for each of the overlapping energy values were taken into account, the maximum efficiency points has been shifted near to 0.5 of the occupation factor. Finally, the results have been discussed in detail and concluded.