افزایش بازده سلول خورشیدی GaAs مبتنی بر ساختار p-i-n باند میانی توسط نقاط کوانتومی InAs در ناحیه ذاتی آن

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی فناوری‌های نوین - دانشگاه تبریز

2 دانشکده مهندسی برق - دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران(آذربایجان‌شرقی) - تبریز

چکیده

امروزه سلول خورشیدی باند میانی نقطه کوانتومی به‌عنوان یکی از مناسب‌ترین گزینه‌ها برای دست‌یابی به حداکثر بازده در سلول‌های خورشیدی می‌باشد. در این مقاله دو مدل سلول خورشیدی طراحی‌شده که مدل اول دارای ساختار p-i-n با بستر GaAs بوده و مدل دوم شامل نقاط کوانتومی InAs کاشته شده در ناحیه ذاتی آن می‌باشند. با بهبود ساختار و استفاده از مواد مناسب در سلول مرجع p-i-n بازده تا حد 34.03% افزایش یافته است. سپس، در ساختار سلول خورشیدی مبتنی‌بر نقاط کوانتومی، ازطریق کنترل اندازه نقاط کوانتومی و موقعیت قرارگیری آن‌ها در این سلول خورشیدی GaAs باند میانی نقطه کوانتومی، بهبود بازده تبدیل انرژی به‌مقدار 12.55% به‌دست آمده و بازده تبدیل انرژی تا مقدار 55.58% ارتقاء یافت. در حقیقت، با این سلول خورشیدی باند میانی مبتنی‌بر نقاط کوانتومی بازده تبدیل انرژی بالایی ارائه می‌شود که تاکنون گزارش نشده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

GaAs p-i-n structure Solar Cell efficiency enhancement with Intermediate Energy Band introducing by InAs Quantum Dots in the intrinsic region

نویسندگان [English]

  • K. Abbasian 1
  • S. S. Hosseini 2
  • H. Soofi 1
1 School of Engineering-Emerging Technologies, University of Tabriz, Tabriz, Iran
2 Department of Electrical Engineering, Islamic Azad University, Tehran Science and Research Branch (East Azarbaijan), Tabriz, Iran
چکیده [English]

Today, the intermediate band solar cell with quantum dots is one of the best options to achieve maximum solar energy conversion efficiency. In this paper, two solar cell models have been designed; the first reference model in with p-i-n structure, and the second model contains the InAs quantum dots implanted in the intrinsic region of the structure. By improving the structure and utilizing proper materials in the p-i-n reference cell, the efficiency increased by 34.03%. Then, in a quantum dot-based solar cell structure, 12.55% energy conversion efficiency improvement achieved and so that the obtained efficiency enhanced up to 55.58% by controlling the size and position of the quantum dots. In fact, the intermediate band solar cell provides a high energy conversion efficiency that have not been reported so far.

کلیدواژه‌ها [English]

  • solar cell
  • intermediate energy band
  • p-i-n structure
  • efficiency improvement
  • InAs Nanomaterials
[1]      داودی، حسین؛ عباسیان، کریم؛ "طراحی سلول خورشیدی میان باندی مبتنی برنانوذرات نقطه کوانتومی"، پنجمین کنفرانس انرژیهای تجدیدپذیر، پاک و کارآمد، 15 اسفند 1392 .
[2]      J. Chen, C. Li, D. W. Zhao, W. Lei, Y. Zhang, M. T. Cole, D. P. Chu, “A quantum dot sensitized solar cell based on vertically aligned carbon nanotube templated ZnO arrays”, Electrochem. Commun. 12, 1432-1435, 2010.
[3]      A.E. Becquerel, C. R. Acad. Sci. 9 561, 1839.
[4]     Micha, Weiner, E., Jakomin, R.,“InAs quantum dots on GaAs for intermediate band solar cells”, IEEE, 2015.
[5]      Marti, Antonio, Luque, Antonio, “Intermediate band solar cells”, Opto Electronics and Communications Conference, 2009. OECC 2009. 14th, p. 1-2, 2009.
[6]      K. Taretto, U. Rau, J. H. Werner, Appl. Phys. A, 77, 865-871 (2003) and K. Taretto, U. Rau, J. H. Werner, Appl. Phys. A, 86, 151, 2007.
[7]      V. Aroutiounian, S. Petrosyan,a) and A. Khachatryan, “Quantum dot solar cells”, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS VOLUME 89, NUMBER 4 15 FEBRUARY 2001.
[8]      Luque, A. and Martí, A.“Increasing the efficiency of ideal solar cells by photon induced transitions at intermediate levels”, Phys. Rev. Lett., Vol.78, No. 26, p.5014, 1997.
[9]      Luque, Antonio, Marti, A., “Recent Progress inIntermediate Band Solar Cells”, Photovoltaic Energy Conversion, Conference IEEE 4th World Conference on, p. 49-52, 2006.
[10]      K. W. J. Barnham and G. Duggan, J. Appl. Phys. 67, 3490 ~1990.
[11]      Y. Okada,1, N. J. Ekins, “Intermediate band solar cells: Recent progress and future directions”, APPLIED PHYSICS REVIEWS 2, 021302, 2015.
[12]      M. Paxman et al., J. Appl. Phys. 74, 614 ~1993.
[13]      M. Y. Levy, C. Honsberg, A. Marti, and A. Luque, “Quantum Dot Intermediate Band Solar Cell Material Systems With Negligible Valence Band Offsets”,Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference _IEEE, New Jerseypp.90–93. , 2005.
[14]      A. Das, M. M. Rahman, M. A. Matin, N. Amin, “Highly Efficient Quantum Dot Intermedaite Band Solar Cell (QDIBSC) With GaAs”, Mechanical Engineering Research Journal, 90−95, 2013.
[15]      Xiaoliang Zhang, Carl Hägglundb, Erik M. J. Johansson, "Highly efficient, transparent and stable semitransparent colloidal quantum dot solar cells:a combined numerical modeling and experimental approach ",Energy & Environmental Science,Issue 1, 2017.
[16]      D. E. Aspnes and A. A. Studna. Dielectric functions and optical parameters of Si, Ge, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, and InSb from 1.5 to 6.0 ev. Phys. Rev. B, 27: 985–1009, Jan 1983.
[17]      H. R. Philipp and H. Ehrenreich. Optical properties of semiconductors. Phys. Rev., 129:1550–1560, Feb 1963.
[18]      A. Le Donne, A. Scaccabarozzi, S. Tombolato, S. Binetti, M. Acciarri, A. Abbotto, Solar photovoltaics: a review, Reviews in Advanced Science and Engineering 2 (2), - IN PRESS, June 2013.
[19]      Uddin,N., Md.Motiur Rahman, Ahmed, T.,& Atiqulislam, “Performance Analysis of Quantum Dot Intermediate Band Solar Cell (QD IBSC)”, Global Journal of Researches in Engineering Electrical and Electronics Engineerin Volume 15 Issue 1 USA, 2015.
[20]      M. B.E.A.Saleh, Fundamentals of photonics., boston: Wiley, 2007.
[21]      F. K. Tutu, P. Lam, J. Wu, N. Miyashita, Y. Okada, K.-H. Lee, N. J. Ekins-Daukes, J. Wilson, and H. Liu, ‘InAs/GaAs quantum dot solar cell with an AlAs cap layer’, Appl. Phys. Lett., vol. 102, no. 16, p. 163907, Apr. 2013.
[22]      D. Pandaa, A. Balgarkashia, S. Sardar," Comparison of InAs/GaAs and InGaAs/GaAs Quantum Dot Solar Cells and Effect of Post-Growth Annealing on Their Optical properties", IEEE 2016.
[23]      Neil Scott Beattie, Patrick See, Guillaume Zoppi,"Quantum engineering of InAs/GaAs quantum dot based intermediate band solar cells", ACS Photonics 2017.
[24]      A. Creti, V. Tasco, A. Cola,"Role of charge separation on two-step two photon absorption in InAs/GaAs quantum dot intermediate band solar cells",Appl. Phys. Lett. 108, 2016.
[25]      Guodan Wei, Stephen R. Forrest,” Intermediate-Band Solar Cells Employing Quantum Dots Embedded in an Energy Fence Barrier”, NANO LETTERS 2007.
[26]      YANG Xiao-Guang, YANG Tao,” Intermediate-Band Solar Cells Based on InAs/GaAs Quantum Dots”, CHIN. PHYS. LETT. Vol. 28, No. 3, 2011.
[27]      Tomah Sogabe, Yasushi Shoji,” Intermediate-band dynamics of quantum dots solar cell in concentrator photovoltaic modules”, SCIENTIFIC REPORTS 2014.
[28]      Ali Imran, Jianliang Jiang,”Efficiency enhancement through flat intermediate band in quantum dot solar cell”, science direct 2018.
[29]      Injamam Ui Islam Chowdhury, Jith sarker,”Performance analysis of high efficiency Inx Ga1-x N/GaN intermediate band quantum dot solar cell”, science direct 2018.
[30]      Hiroji Hosokawa, Ryo Tamaki, ”Solution-processed intermediate-band solar cells with lead sulfide quantum dots and lead halide perovskites”, nature 2019.
[31]      AR Tumpa, E Sarker, S Anjum, N Sultana, Analyze the effect of window layer (AlAs) for increasing the efficiency of GaAs based solar cell, ajer Volume-4, Issue-7, pp-304-315, 2015.
[32]      N. Matveev, Optics. Mir Publishers. Moscow, 1988.