Modeling and simulation of thin-film solar cells

Abstract

Amorf silisyum ve Kristal silisyum (a-Si/c-Si) heteroeklem güneş pilleri, yüksek performansları ve düşük maliyetlerinden dolayı fotovoltaik (PV) pazar için teknolojik bir çözümdürler. Bu teknoloji, yüksek verimliliğe sahip kristal silisyum (c-Si) teknolojisi ile düşük maliyetli hidrojen katkılı amorf silisyum (a-Si:H) teknolojisini tek yapıda kullanır.Bununla birlikte, a-Si ve c-Si arayüzündeki bant farklının etkisi bu güneş pillerinin çalışma ve tasarımında önemli bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu bant farkının sonucunda oluşan potansiyel bariyer, foto (ışıkla oluşan) elektrik yüklerinin toplanmasında sınırlama getirmektedir ve bunun sonucunda güneş pilinin fotovoltaik özellikleri etkilenmektedir.Bu tez çalışmasında yukarıda belirtilen probleme çözüm üretmek için, katkısız ince katmanlı basit heteroeklem (HIT) yapılarda bulunan a:Si:H(i) katmanın yerine geçmek üzere enerji bant aralığı basamaklandırılmış olan a-SixGe1-x:H katmanların a:Si:H(n) ile c:Si(p) arasında kullanan bir yapı önerilmektedir. Basamakladırılmış katmanlar sayesinde, bant farkları dereceli olarak azaltılacak ve bu yolla foto elektrik yüklerinin düşük enerji seviyesinden merdiven şeklinde yüksek enerjiye çıkmasıyla bir taraftan diğer tarafa taşınması kolaylaşmış olacaktır. Bunun sonucunda, pilden elde edilen akım ve toplam verimlilik yükselecektir.Buna ilaveten, önerilen yapının çeşitli katmanlarına ait kalınlıkları ve katkı oranlarının Afors-hetsimülasyon yazılımı ile optimizasyonu yapılarak %32.07 verimlilikte bir güneş pili tasarlanmıştır.Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik, a-Si ince filmler, güneş pilleri, bant farkı.

The amorphous silicon and crystalline silicon (a-Si/c-Si) heterojunction solar cell is the technological solution for the photovoltaic (PV) market because it performs well and has low production cost. This technology employs a high efficient c-Si cell technology and low cost thin-film a-Si:H technology in single structure.However, the influence of band offsets at the a-Si and c-Si interface is one of the crucial issues in the operation and design of these cells. The band offsets give rise to potential barriers that could impose limitations for the photocarrier collection which in turn affects the PV properties of the solar cell.In this thesis, a solution to the above-mentioned issue has been proposed by designing a structure with graded band gap layers of a-SixGe1-x:H inserted in between a-Si:H(n) and c-Si(p) to replace the a-Si:H(i) layer in a simple heterojunction with intrinsic thin layer (HIT). The graded layers help in reducing the band offsets values in a graded way which can make photocarrier transportation from one side to the other easier by making a staircase from lower energy level to higher, which in turn increases the current drawn from the cell and also the total efficiency.Furthermore, the proposed structure has been optimized using the AFORS-HET simulation software by varying the thicknesses and doping concentrations of the various layers to yield an efficiency of 32.07%.Keywords: Photovoltaics, a-Si thin films, solar cells, band offsets