هدف این کتاب، آشنایی دانشجویان و متخصصین فعال در حوزه انرژی با انواع سلول‎های خورشیدی و عملکرد آن‎ها با محوریت مدل‎سازی سلول‎های خورشیدی است. همچنین دانشجویان تحصیلات تکمیلی رشته‎های برق، فیزیک و نانو می‎توانند از این کتاب به عنوان مرجع درسی استفاده کنند.

پیشگفتار  17

فصل اوّل | مقدمه‌ای بر سلول‌های خورشیدی 21

1-1- نور خورشید 21

1-2- سیستم‌های فتوولتائیک 23

1-3- تاریخچه فتوولتائیک 24

1-4- اساس کار سلول‌ خورشیدی 26

1-5- پارامترهای سلول خورشیدی 28

الف) ولتاژ مدار باز 29

ب) جریان اتصال کوتاه 30

ت) بیشینه نقطه توان 31

ج) ضریب پرشدگی 31

چ) راندمان 33

ح) ضریب کیفیت دیود 33

خ) ضریب شکست 34

1-6- آثار مقاومتی 34

1-6-1- مقاومت مشخصه 34

1-6-2- مقاومت سری 35

ذ) مقاومت موازی 37

ر) بازده کوانتومی 39

بازده کوانتومی داخلی IQE یا Qi 40

1-6-3 پاسخ طیفی 42

فصل دوم | مفاهیم نیمه رساناها 45

2-1- تعریف 45

2-2- انواع نیم‌رسانا 48

2-2-1 نیم‌رساناهای ذاتی و آلائیده 48

2-3- تراز‎های شبه‎فرمی 52

2-3-1- پیوندp-n 54

انواع شرایط عملکرد یک پیوند p-n 55

2-3-2- پیوند همگون 56

2-3-3- پیوند ناهمگون 58

2-4- اتصال فلز - نیم‌رسانا 60

2-4-1- اتصال شاتکی 61

جریان ترمویونیک در اتصال شاتکی: 64

2-4-2- اتصال اهمی 65

2-5- معادلات حاکم 66

2-6- تحرک (انتقال حامل‎های بار) 67

2-7- تولید، بازترکیب و تزریق حامل‎ها 68

2-7-1- بازترکیب 69

2-7-2- باز‎ترکیب سطحی 71

معرفی حالتهای نقص 72

2-8- بررسی اثرات نقص در ناحیه بار فضایی(SCR) 76

نقص در یک وضعیت کلی با ثبات: 78

فصل سوم | انواع سلول‌های خورشیدی 81

3-1 انواع سلول خورشیدی 83

3-1-1- سلول خورشیدی سیلیکونی 83

ساختار اصلی یک سلول خورشیدی سیلیکونی 84

سطح رویی: 85

سطح پشتی 86

3-1-2- روش‌های بهبود بازده سلول‌های خورشیدی سیلیکونی 87

امیتر 87

غیرفعال‌سازی 87

الگودار کردن سطح 87

گیراندازی نور 88

سطح پشتی 88

3-1-3- انواع سلول‌های خورشیدی سیلیکونی با بازده بالا 88

فناوری BSF 89

سلول‌های خورشیدی PERC (Passivated emitter and rear cells) 89

فناوری TOPCON (Tunnel oxide passivated contact) 92

سلول‌های خورشیدی PERC+ 93

سلول‌های خورشیدی (hetrojunction with intrinsic thin layer) HIT بر پایه لایه‌های نانومتری 94

3-2- سلول خورشیدی نسل دوم 94

3-2-1- سلول خورشیدی سیلیکون آمورف 94

3-3- سلول خورشیدی لایه نازک CIGS 95

3-3-1- زیرلایه 96

3-3-2- اتصال پشتی 97

3-3-3- لایه‌های جاذب CIGS 98

3-3-4- لایه بافر 100

3-3-5- اکسید رسانای شفاف ZnO 102

3-3-6- جمع کننده الکترون 103

3-4- سلول خورشیدی لایه نازک کادمیوم تلوراید 104

3-4-1- لایه پنجره 105

3-4-2- اتصال پشتی 106

3-5- سلول‌های خورشیدی نسل سوم 107

3-5-1- سلول خورشیدی رنگدانه ای 107

الف) الکترود نوری 109

ب) رنگدانه 110

ج) الکترولیت 113

د) الکترود مقابل 115

3-6- سلول خورشیدی پروسکایت 115

3-6-1- ساختار پروسکایت 115

3-6-2- شکاف انرژی و تنظیم آن 120

کاتیون آلی 121

کاتیون فلزی 122

آنیون هالوژنی 122

3-6-3- خواص اپتوالکترونیکی 123

جذب نور 123

طول نفوذ حامل‌ها 125

قابلیت تحرک حامل‌ها 126

جرم مؤثر 127

3-6-4- معماری سلول‌های خورشیدی پروسکایتی 128

معماری چارچوب متخلخل 130

معماری مزو ابرساختار 130

معماری مسطح 131

فصل چهارم : شبیه‌سازی سلول‌های خورشیدی 133

4-1- مدل‌سازی 133

4-2- پارامترهای پایه 134

4-2-1- تطبیق شبیه‌سازی با داده‌های تجربی 134

4-2-2- ویژگی‌های مواد 135

4-2-3- الکترودهای رویی و پشتی 135

4-2-4- تنظیم گاف انرژی 136

4-3- بسته‌های شبیه‌سازی سلول‌های خورشیدی لایه نازک 138

4-3-1- AMPS-1D 140

4-3-2- ASA (Amorphous Semiconductor Analysis) 141

4-3-3- PC1D 141

4-3-4- Silvaco 142

4-3-5- SCAPS-1D 143

فصل پنجم | شبیه‌سازی سلول خورشیدی با استفاده از SCAPS 147

5-1- اصول اولیه 149

5-2- اجرای برنامه SCAPS 150

5-3- تعریف نقطه کاری 151

5-4- تعریف و ویرایش مسئله 152

5-4-1- اتصالات 154

5-4-2- تعریف مقاومت موازی و سری 155

5-4-3- شرایط نوردهی 156

5-4-4- راه‌اندازی شبیه‌سازی 156

5-4-5- شروع محاسبات 157

5-5- توصیف منحنی‌های شبیه‌سازی شده 158

5-5-1- مقیاس گذاری و بزرگ‌نمایی 159

5-5-2- شرح و اطلاعات منحنی 160

5-5-3- نمودار جریان- ولتاژ I-V 161

5-5-4- نمودار a-c 161

5-5-5- نمودار ظرفیت- پتانسیل C-V 162

5-5-6- نمودار ظرفیت- فرکانس C-V 163

5-5-7- نمودار بازده کوانتومی QE 163

5-6- درجه بندی لایه‌های نیم‌رسانا 164

5-6-1- پارامترهای وابسته به دما 164

5-6-2- رویکرد کلی درجه‌بندی 164

5-6-3- درجه‌بندی ترکیبی 167

درجه‌بندی ترکیب یکنواخت 167

درجه‌بندی ترکیب از طریق بارگذاری فایل 168

5-7- قراردادهای معادله در SCAPS 170

5-7-1- ضریب جذب نوری α 170

5-7-2- رویکرد مواد 172

5-7-3- ذخیره‌سازی مواد 173

5-7-4- بارگیری مواد 174

5-8- نقص و بازترکیب 175

5-9- رابط‌ها 179

5-10- تونل زنی 180

5-10-1- تنظیمات تونل عددی 180

5-11- دکمه آبی 181

5-11-1- بارگیری و ذخیره مسئله 182

5-12- پروژه یک 184

5-12-1- شبیه‌سازی سلول خورشیدی لایه نازک CdTe 184

5-12-2- خروجی I-V و محاسبه پارامترهای سلول خورشیدی: 188

5-12-3- بالا بردن سرعت محاسبه: محاسبات دسته‌ای 189

5-12-4- تغییر کلی فایل‌های تعریف شده 191

5-12-5- تغییر پارامترهای نقطه کاری اولیه 191

5-12-6- در خلال محاسبه 192

5-12-7- محاسبات ضبط کننده 192

تنظیم یک ضبط‌کننده 193

محاسبات ضبط‌کننده 194

تحلیل نتایج ضبط‌کننده 194

5-12-8-  فیت کردن منحنی 195

قانون‌های کلی: 196

تنظیم فیت‌کننده منحنی: 196

تحلیل نتایج فیت کردن منحنی: 198

5-13- پروژه دوم: 199

5-13-1- شبیه‌سازی سلول خورشیدی لایه نازک CIGS 199

5-13-2- آنالیز ظرفیت ولتاژ ساختار 205

5-13-3- شبیه سازی اثر مقاومت‌های اتلافی بر عملکرد سلول خورشیدی 207

5-13-4- شبیه‌سازی اثر مقاومت سری 207

5-13-5-  شبیه‌سازی اثر مقاومت موازی 209

5-14- اثر دما بر عملکرد سلول مورد شبیه‌سازی 211

5-15- پروژه سوم 212

5-15-1- شبیه سازی سلول خورشیدی پروسکایت 212

فصل ششم | شبیه‌سازی سلول خورشیدی با استفاده از SILVACO 215

6-1- فایل‌های ورودی به شبیه‌ساز 216

6-2- تعریف ساختار قطعه 217

6-2-1- مش‌بندی 217

6-2-2- تعریف نواحی 218

6-2-3- تعریف الکترودها 219

6-2-4- تعریف آلایش 220

6-3- تعیین خصوصیات مواد 220

6-4- تعیین سطوح فصل مشترک 220

6-5- روش‌های حل عددی 221

6-6- شبیه‌سازی منبع نور با استفاده از تعریف پرتو نوری 221

6-7- مشخصات حل معادلات شبیه‌ساز 222

6-8- خروجی‌های اطلس 223

6-9- مثال شماره یک: شبیه سازی و ساخت سلول خورشیدی سیلیکونی 223

جریان کاتد/ منبع جریان نوری. 225

کد مثال به صورت جز به جز: 226

6-9-1- لایه نشانی پوشش اکسید 227

6-9-2- کاشت یونی لایه 227

6-10- مثال شماره 2: سلول خورشیدی با نقص‌ها و بدون آن 236

6-10-1- ران اول بدون حضور نقص: 236

6-11- مثال شماره 3: شبیه‌سازی سلول خورشیدی GAINP 242

6-12- مثال شماره 4: سلول خورشیدی ژرمانیوم 250

6-13- مثال شماره 5: شبیه‌سازی سلول خورشیدی لایه نازک CIGS 252

6-14- مثال شماره 7: سلول خورشیدی معدنی 257

6-15- مثال شماره 8: سلول خورشیدی سیلیکونی آمورف 261

6-16- مثال شماره 9: سلول خورشیدی سه بعدی با مش بندی دایروی 265

تنظیم گاف انرژی لایه جاذب در محیط اطلس 270

پیوست 273

7-1- مراحل نصب نرم افزار SILVACO(TCAD 2014) 273

7-2- فهرست علائم و اختصارات 276

7-3- مشخصات فیزیکی مواد نیم‌رسانا: 277

منابع 281