Saulės elementų tyrimas ir modeliavimas

2013-12-15

Įžanga

Kadangi mokslo pasiekimų dėka vis gerėja gyvenimo sąlygos, eksponentiškai auga ir gyventojų skaičius, tad atitinkamai didėja ir Žemės teikiamų resursų suvartojimo sparta. Dauguma iš jų yra arba praktiškai visiškai neatsinaujinantys, pavyzdžiui, iškastinis kuras, arba dėl vis augančios paklausos nebesuspėja atsinaujinti. Tokiais galima laikyti miškus, kadangi medžiai auga lėtai, o medienos reikia vis daugiau. Didžioji dalis šių gamtinių išteklių sunaudojama elektros energijai gauti. Tačiau neišsenkančią energiją galima paimti tiesiai iš gamtos: turbinas gali sukti vėjas, tekantis vanduo, Saulės šviesa skirtingų tipų puslaidininkių sandūroje gali sukurti elektros srovę. Todėl daug investuojama į atsinaujinančių energijos šaltinių tyrimus.

Dėl galimo labai patogaus panaudojimo mobiliuose įrenginiuose, automobiliuose, pastatuose bei dėl paprastos priežiūros, kurios po įdiegimo reikia labai retai, ir nesudėtingo išplėtimo, vienu perspektyviausių laikomi Saulės elementai (dar vadinami fotovoltiniais elementais), kuriuose dalis šviesos energijos paverčiama elektros energija. Tačiau šiandien ta dalis yra labai nedidelė: komerciniuose elementuose vos penktadalis ar net dar mažiau į elementą krintančios šviesos srauto sėkmingai panaudojama. Šio ir viso į elementą krintančio šviesos srauto santykis yra vadinamas efektyvumu. Kadangi esant didesniam efektyvumui užtenka mažesnio paviršiaus ploto gauti reikiamam energijos kiekiui, elementui pagaminti reikia ir mažiau medžiagų, todėl elementas tampa lengvesnis, kas padidina mobilumą, be to tuomet jis gali būti ir pigesnis [1]. Tačiau apskaičiuota, kad vienos sandūros fotovoltinių elementų maksimalus efektyvumas negali viršyti Shockley-Queisser ribos, t. y. negali būti didesnis už 33,7%, kai draustinės juostos plotis yra 1,1 eV. Mažesnės energijos fotonai nebus absorbuojami, o didesnės energijos fotonų energijos perteklius virs šiluma, o tai dar papildomai mažins efektyvumą. Tačiau yra daugiau veiksnių, ribojančių efektyvumą, tad ir iki šios ribos su viena sandūra priartėti praktiškai neįmanoma, kadangi dalis šviesos atsispindi nuo elemento paviršiaus, dalis energijos nepanaudojama dėl neišvengiamų defektų elemento pakraščiuose: nelygumų, priemaišų, kurios įneša tarpinius energijos lygmenis ir taip sumažina draustinės juostos plotį, dėl ko padidėja rekombinacija, tad ją tenka mažinti pasyvuojant paviršių, t.y. dengiant oksidu, likusi dalis – dėl elemento varžos ir kitų priežasčių [1].

Veikimo principas

Saulės elementų (SE) veikimo principas pagrįstas fotoefektu. Fotoefektas – fotonų energijos perdavimas medžiagos elektronams, kurie dėl to arba išplėšiami iš medžiagos (išorinis fotoefektas) arba joje tampa laisvi (vidinis fotoefektas). Puslaidininkiniuose SE vyksta vidinis fotoefektas. Jei grynas puslaidininkis apšviečiamas, jame atsiranda laisvųjų elektronų, tad gali tekėti elektros srovė, o jeigu apšviečiama dviejų skirtingų tipų (į p tipo puslaidininkį įterpta trivalentė priemaiša, o į n tipo – penkiavalentė) puslaidininkių sandūra, tai šiuose puslaidininkiuose atsiranda šalutinių krūvininkų – n tipo puslaidininkyje atsiranda skylių, o p tipo – laisvųjų elektronų. Šiuos šalutinius krūvininkus pritraukia sandūros kuriamas elektrinis laukas, todėl laisvieji elektronai iš p tipo puslaidininkio kryptingai juda į n tipo, o skylės – į ptipo ir taip sukuriama nuolatinė elektros srovė, jei prie sandūros prijungta apkrova (žr. 1 pav.).

Tačiau 1 pav. pavaizduotu atveju gaunamas labai mažas efektyvumas, nes gaunamas labai mažas naudingas paviršius (bei dėl kitų žemiau išvardintų priežasčių), tad praktikoje sandūra nukreipiama horizontaliai į ją krintančiai šviesai. Žinoma, tokiu atveju vieną pn sandūros sluoksnį reikia suploninti, kad kai kurie fotonai galėtų pasiekti ir kitą, žemiau esantį sluoksnį. Kaip viršutinis sandūros sluoksnis, pasirinktas n tipo puslaidininkis, nes jam energiją perdavę fotonai yra patys naudingiausi.

Kiekvieną sekundę paviršių pasiekia daugybė fotonų, tačiau tik nedidelė jų dalis gali sukelti elektros srovę, kadangi dalis fotonų atsispindi nuo kontaktų, nuo viršutinio paviršiaus arba kiaurai praeina pro elementą ir atsispindi nuo apatinio paviršiaus ir taip lieka nepanaudoti. Likusi dalis patenka į SE, tačiau tiktai tie, kurių energija yra didesnė arba lygi draustinės juostos pločiui, sėkmingai gali sukurti elektrono ir skylės porą kuriame nors puslaidininkyje. Naudingiausia, kai ši pora sukuriama šalia sandūros, kadangi tuomet didžiausia tikimybė, kad skylė ir elektronas atitinkamai pereis į p arba n tipo puslaidininkį ir taip sukurs elektros srovę. Mažiau naudingi fotonai sukuria šią porą giliau p tipo puslaidininkyje. Tuomet elektronas ir skylė dėl šiluminio judėjimo netvarkingai juda ir elektronas, judėdamas lik sandūros gali rekombinuoti. Kuo giliau ši pora sukuriama, tuo mažesnė tikimybė, kad elektronas sėkmingai pasieks sandūrą ir sukurs elektros srovę. Jeigu fotono energija didesnė už puslaidininkio draustinės juostos plotį, tai naudingai panaudota bus tik draustinės juostos pločiui lygi energija, o perteklinė tik sušildys puslaidininkį, taip padidins jo savitąją varžą, kas dar sumažins jo efektyvumą. Taigi, SE veikia geriau, kai laikomi šaltai.

Siekiant padidint Saulės elementų efektyvumą, buvo imta SE dengti labiau šviesą sugeriančiais sluoksniais.

Istorija

1839 m. prancūzų fizikas Edmond Becquerel, eksperimentuodamas su elementu, kurį sudarė į elektrolitą įmerkti elektrodai, pastebėjo, kad elektros srovė padidėdavo, kai jis apšviesdavo šį elementą. Taip buvo atrastas fotoefektas. 1873 m. Willoughby Smith pastebėjo, kad apšvietus seleną, jo laidumas padidėja. 1876 m. Grylls Adams ir Richard Evans Day pastebėjo, kad apšvietus seleno ir platinos sandūrą, ja ima tekėti elektros srovė, tačiau tokio SE efektyvumas buvo mažesnis už 1%, tad anuomet šis atradimas neturėjo praktinio panaudojimo, nes gaunama energija buvo nepakankama jokiam tuometiniam įrenginiui maitinti. 1883 m. amerikiečių išradėjas Charles Fritts aprašė pirmąjį SE, sudarytą iš dviejų selenio plokščių (dar vadinamų vafliais, angl. wafers). 1918 m. lenkų mokslininkas Jan Czochralski sukūrė metodą, kaip gauti monokristalinį silicį. Šis metodas dabar plačiai naudojamas mikroelektronikoje ir monokristalinių SE gamybai [5].

Tačiau šiuolaikinių Saulės elementų pradžia siejama su 1954 m., kuomet JAV, Bell labs laboratorijoje Daryl Chapin, Calvin Fuller, ir Gerald Pearson pavyko sukurti net 4% efektyvumo silicio SE (žr. 2 pav.), apjungiant ankstesnių bandymų rezultatus. Energijos kiekį, gaunamą šiuo SE jau buvo galima panaudoti praktiškai.

1960 m. SE konstrukcija pasidarė artimesnė dabartiniams: uždėtas atspindžius slopinantis sluoksnis, p ir n tipo puslaidininkiai sukeisti vietomis, juos atitinkamai imta vadinti kolektoriumi ir emiteriu. Labai panašus į tokį elementą yra pateiktas modeliavimo rezultatuose kaip elementariausias, tik be atspindžius slopinančio sluoksnio. 1970 m. pastebėta, kad iš apačios priauginus labai daug priemaišų turintį aliuminio sluoksnį galima padidinti efektyvumą. Tais metais dar buvo tankiau išdėstyti elektrodai elemento paviršiuje (dar vadinami pirštais), paplonintas n-tipo puslaidininkio sluoksnis. Taip pasiektas 15% efektyvumas.

Neilgai trukus sugalvota paviršiuje padaryti keturkampes piramides, kurios efektyvumą padidino iki 17%, kadangi šviesa, atsispindėjusi nuo vienos piramidės su didele tikimybe galėjo pakliūti į gretimą, krisdama didesniu kampu. Piramidės suformuotos lėtai ėsdinant viršutinį sluoksnį. Tai labai sumažino atspindžius nuo elemento paviršiaus, todėl tokie elementai jau buvo juodi.

Iki 1970m. buvo stengiamasi mažinti atspindžius ir didinti šviesos sukuriamų el. srovės nešėjų skaičių. Kadangi jau geriausi rezultatai buvo pasiekti, imta kelti tuščios eigos įtampą. Iki 1975m. ėmė gamyboje naudoti šilkografiją, kuri leidžia pigiai suformuoti elektrodus viršutiniame paviršiuje. Buvo sugalvota elementus jungti į laminuotus modulius, kas daroma ir šiandien.

Vėliau buvo sukurtas metodas išauginti pigesnius silicio kristalus. Šiuo būdu išgaunamas polikristalinis silicis, kurį sudaro smulkūs netvarkingai išsidėstę kristaliukai. Iki tol SE gamybai buvo naudotas monokristalinis silicis, kuris šiandien daugiausia naudojamas mikroelektronikoje. Jis dažniausia auginamas Czochralski metodu, kadangi tai paprasčiausias ir pigiausias monokristalinio silicio gavimo metodas. Pirmieji polikristalinio Si elementai buvo sukurti 1976m. Kadangi multikristalinių elementų efektyvumas buvo tik 1% mažesnis už monokristalinių, o gamybos kaina žymiai mažesnė (multikristalinį Si papraščiau pagaminti), jie labai tiko komercinei gamybai. Siekiama, kad PV gamybai naudojamų multikristalinių Si kristaliuko vidutinis ilgis būtų bent keli milimetrai. Tuomet vienas kristaliukas gali eiti per visą elemento storį. Multikristaliniai elementai storesni (storis apie 1mm) už monokristalinius (apie 300um).

Paskui imta mažinti Si plokštelės storį, kristalą pjaustant ploniau. Tam teko pakeisti mikroelektronikoje nusistovėjusius pjaustymo metodus labiau tinkamais SE. 1980-tųjų pradžioje padidinta tuščios eigos įtampa, pagerintas efektyvumas iki 20%. 1985 m. pagamintas SE, kurio efektyvumas buvo dar didesnis. Tokie elementai vadinami pasyvuoto emiterio SE (angl. Passivated Emittter Solar Cell, PESC). Tai pavyko pasiekti šiais metodais:

1. Panaudojant ploną šiluminiu būdu užauginto oksido sluoksnį siekiant sumažinti viršutinio sluoksnio elektronų aktyvumą (pasyvuoti paviršių), kadangi ties kraštais puslaidininkis būna ne toks lygus ir kokybiškas, su priemaišom, kurios įneša tarpinius lygmenis (sumažina draustinę juostą) ir tokiu būdu kraštuose padidėja rekombinacija, kas gali būti įsivaizduojama kaip lygiagreti varža .
2. Iš apačios priaugintas aliuminio lydinys. Tai pasiekiama aliuminio sluoksnį uždedant iš apačios ir pakaitinant virš Al ir Si lydymosi temperatūros. Po atvėsinimo gaunamas Si tipo puslaidininkis su daugybe Al priemaišų. Tai sumažino rekombinacijų skaičių prie apatinio kontakto.Panaudojant šį metodą su multikristaliniais elementais pavyko gauti 18,6% efektyvumą (1996m.) [5, 6].

Panašios kokybės kaip ir aprašytasis PESC elementas, elementai buvo pradėti masiškai gaminti. Vėliau norint sumažinti gamybos kainą fotolitografijos metodas, naudotas kontaktams dengti ant paviršiaus, buvo pakeistas lazeriniu (lazerio spinduliu pažymimos vietos, kurios turės būti padengtos metalu, o vėliau elektrocheminiu būdu padengiamos). Komerciniuose elementuose oksidas gali būti keičiamas aukštos temperatūros dielektriku (pvz. silicio nitratu). Giliau įleistų kontaktų dėka gaunamas didesnis efektyvumas, kuris laisvai pasiekia 17 – 18 % net su labai pigiais Si vafliais.

Vėliau visas elementas buvo padengtas oksidu (oxide passivation) ir padaryti abu kontaktai vienoje pusėje (Rear Point Contact Cell). Tai padidino efektyvumą, kadangi dabartiniame puikios kokybės silicyje nešėjų difundavimo atstumai be yra net keletą kartų didesni už elemento storį, ir todėl Saulės elemento paviršiuje sugeneruojami nešėjai lengvai gali nukeliauti (difunduoti) iki apačioje esančių kontaktų. Tokiais elementais 1988 m. gautas 22% efektyvumas. Buvo gaminami ir komerciniai.

Bet silicio SE turėjo nemažai trūkumų: yra sunkūs, brangūs, sunkiai transportuojami ir instaliuojami, jų gamybai sunaudojamas didelis kiekis silicio. Be to, jau buvo pasiektas pakankamai didelis efektyvumas ir norėta jį dar labiau padidinti. Tai paskatino ieškoti tobulesnių SE gamybos būdų. Todėl buvo sukurta daugybė įvairių SE rūšių, kurie aptariami sekančiame skyriuje.

Saulės elementų tipai

Didžiąją rinkos dalį, t.y. apie 80% [2], užima kristalinio silicio – monokristaliniai, polikristaliniai Saulės elementai. Taip pat populiarūs yra ir plonasluoksniai – vario-indžio-galio-diselenido (CIGS), kadmio telūrido (CdTe) ir amorfinio silicio, užimantys likusius beveik 20%. Kristalinio silicio elementų efektyvumas siekia 25% [6], bet jie yra sunkūs, juos sudėtinga transportuoti ir instaliuoti. Be to, jų gamybos metu prarandama apie 70% viso sunaudoto silicio. Dėl šių priežasčių jų gaminama energija yra bent tris kartus brangesnė už gaunamą šiluminėse elektrinėse.

Šie trūkumai mažiau juntami plonasluoksniuose elementuose – jie yra lengvi ir lankstūs, nesunkiai transportuojami ir montuojami bei pigesni, tačiau jų efektyvumas yra mažesnis – siekia 20,3% [3, 4, 6]. Tad jie po truputį kečia tradicinius monokristalinio ir multikristalinio silicio SE – nuo 2010 m. sparčiai populiarėja, naudojami ir namams. Be to, plonasluoksniai amorfinio silicio (a-Si) elementai naudojami ir mažai elektros energijos reikalaujančiuose įrenginiuose, pavyzdžiui, skaičiuotuvuose. Šiuos SE sudaro keletas šviesą sugeriančių sluoksnių, esančių ant stiklo, metalo ar plastmasės, o efektyvumas yra apie 6% komerciniuose įrenginiuose, o laboratorijose pavyko pasiekti 12,5%. Neseniai a-Si elementų konstrukcija buvo labai patobulinta ir jie tapo tinkamesni ir didelio ploto Saulės baterijoms, pasižyminčiomis tuo, kad yra labai plonos, kas iš dalies gali atpirkti jų mažą efektyvumą. Be to, šie SE pasižymi ir labai žema kaina, kadangi jiems užtenka maždaug 1% Silicio, panaudojamo įprastam kristalinio silicio (c-Si) SE. Norint padidinti a-Si SE efektyvumą, galima sudėti vieną tokį SE ant kito ir kiekvieną jų suderinti taip, kad absorbuotų tik tam tikro dažnių intervalo šviesą. Taip gaunamas a-Si tandeminis SE. Tačiau gaminant tandeminius a-Si elementus gaunamos didesnės gamybos sąnaudos, kas labai padidina ir jų kaina. Dėl to jie naudojami tik tada, kai svarbus yra jų lankstumas ir plonumas. Dažnai a-Si SE naudojama pin struktūra ir jie įprastai yra padengti skaidriu ir laidžiu oksidu (TCO, angl. Transparent Conducting Oxide), pavyzdžiui cinko oksidu (ZnO).

Kadmio-indžio-galio-diselenido (CIGS) SE galima išskirti dviejų tipų (žr. 3 pav.): kuomet struktūra suformuota ant stiklo ir kuomet ant folijos. Ant stiklo suformuotiems reikalingas Molibdeno (Molybdenum) sluoksnis, kuris pasižymi geru laidumu, tad atstoja kitą elektrodą bei gerai sukimba su stiklu. Šio sluoksnio nereikia suformuotiems ant folijos SE, nes juose folija atstoja elektrodą. CIGS SE irgi naudojamas skaidrus atspindžius slopinantis sluoksnis (TCO) – suformuotose ant stiklo tai dažniausia būna cinko oksidas (ZnO), o ant folijos - alavo oksidas (SnO₂) Šiuose SE n-tipo puslaidininkį atitinka cinko-indžio-galio-diselenido (CIGS) sluoksnis, o p-tipo – kadmio sulfatas (CdS).

CdTe elementų struktūra panaši – elektrodai vienas iš SnO₂, o kitas iš vario (Cu) ar aukso (Au). ZnTe ir CdS dalyvauja kaip n ir p tipo puslaidininkiai atitinkamai. Šių elementų didelis trūkumas yra tas, kad juose naudojamas kadmis yra kenksmingas aplinkai ir labai toksiškas. Jų efektyvumas siekia 17,3%. Dėl kitų gerų savybių investuojama į tyrimus, siekiant pakeisti Kadmį kitu cheminiu elementu, kuris nebūtų kenksmingas aplinkai ir žmonėms.

Neseniai sukurtas rašalas su nanodalelėmis, kuris gali būti naudojamas Saulės elementų gamybai. Taip juos gaminti būtų žymiai papraščiau ir pigiau, galima būtų naudoti metodus, panašius į laikraščių spausdinimą. Šiame NanoSolar sprendime elektrinės charakteristikos gali būti lengviau suderintos ir gautas žymiai didesnis efektyvumas [7].

Vienais perspektyviausių laikomi tandeminiai arba daugiasluoksniai Saulės elementai. Kadangi jie turi ne vieną, o keletą pn sandūrų, jų efektyvumas gali gerokai viršyti 33,7%. Viršutinės sandūros draustinės juostos plotis parenkamas didesnis, kad absorbuotų tik didžiausio dažnio ir energijos šviesą, o žemesnio dažnio šviesa praeina tą sandūra ir dalis jos sugeriama sekančioje sandūroje, kurios draustinės juostos plotis yra mažesnis. Žemesnių dažnių šviesa taip pat yra absorbuojama kituose, žemiau esančiuose sluoksniuose. Teorinė tokių elementų efektyvumo riba yra 86 %, laikant, kad elementas sudarytas iš begalinio kiekio sandūrų. Tačiau realybėje tokio efektyvumo greičiausia nepavyks pasiekti dėl technologinių kliūčių, pavyzdžiui, žemiau esančiose sandūrose gaunama silpnesnė srovė, todėl papildomai krenta įtampa ir taip nukenčia efektyvumas. Paprasčiausias būdas didinti šių elementų efektyvumą – didinti sandūrų skaičių, tačiau praktikoje susiduriama su daugybe derinimo problemų, tad jų skaičių verta didinti tik iki tam tikros ribos [3]. Didžiausias daugiasluoksnių elementų pasiektas efektyvumas yra net 43,5% [4], tačiau didelės gamybos sąnaudos ir sudėtingas skirtingų sandūrų tarpusavio derinimas lemia tai, kad artimiausiu metu tokie elementai nebus pritaikyti masinei rinkai.

Aptarti dažniausia rinkoje pasitaikantys SE, bet jų yra žymiai daugiau rūšių – tai pateikiama diagramoje (žr. 4 pav), o didžiausių jų pasiektų efektyvumų istorija - 5 pav. Galio arsenido (GaAs) SE dažnai naudojami kosminiuose įrenginiuose, pavyzdžiui dirbtiniuose palydovuose, nes ribotas jų paviršiaus plotas, o šių SE efektyvumas yra didesnis. Šiandien ne tik tobulinami dabartiniai SE, bet bandoma sukurti ir kitus, kurių efektyvumas šiandien dar yra labai mažas, bet ateityje galbūt bus pasiektas žymiai didesnis arba, galbūt, jie pasižymės kitom gerom savybėm. Tai dažais įjautrinti, organiniai, organiniai tandeminiai, neorganiniai bei kvantinių taškų SE. Aptarsime tuos, į kurių tyrimus investuojama daugiausia.

Organiniai, polimeriniai (angl. Organic, polymer) SE. Tai palyginti nauja technologija, žadanti Saulės energijos kainos sumažėjimą bei greitesnį įrengimo atsipirkimą, kadangi šiu SE gamyba pigi ir paprasta, galima gaminti dideliais kiekiais, naudojant paprasta spausdinimo procesą – gali būti pagaminta šių SE juosta (ši gamybos technologija angliškai vadinama roll to roll), kuri vėliau gali būti sukarpoma reikiamais kiekiais ir dėl savo lankstumo, plonumo ir lengvumo nesunkiai sumontuojama. Šie SE sudaryti iš plonų 100nm organinių puslaidininkių sluoksnių, įskaitant ir polimerus, pavyzdžiui, (C₈H₆)_n – polifenilenas-vinilenas. Šių SE efektyvumas 2012 metų gegužės mėnesio duomenimis siekia 10% [6]. Jie nuo neorganinių puslaidininkinių SE skiriasi tuo, kad nepriklauso nuo pn sandūroje susidarančio elektrinio lauko, kuris atskiria elektronus ir skyles, kai absorbuojamas fotonas. Šiuose elementuose elektrono ir skylės poros sukuriamos ne puslaidininkiuose, o polimeruose. Juos apšviečiant, elektronai, esantys aukščiausioje užimtoje molekulinėje orbitoje (HOMO), gali peršokti į mažiausią neužimtą molekulinę orbitą (LUMO). Energinis šių orbitų skirtumas yra puslaidininkiuose esančios draustinės juostos atitikmuo. Medžiaga, kuri atiduoda elektronus, vadinama donore, o medžiaga, kuri gauną elektronus, - akceptore. Elektronai nuo skylės atskiriami sudarius sąsają, kurioje elektronų cheminis potencialas išilgai mažėja. Po atskyrimo elektronai ir skylės turi būti surenkami prie kontaktų. Svarbiu veiksniu tampa krūvininkų judrumas: per mažas judrumas gali lemti tai, kad krūvininkai nepasieks kontaktų, o vietoj to rekombinuos lokaliose rekombinacijos zonose arba liks medžiagoje kaip nepageidaujami erdviniai krūvininkai, kurie trikdys kitų dalelių kryptingą judėjimą [3].

Dažais įjautrinti (angl. dye-sensitized, DSSC) SE priklauso organinių elementų kategorijai. Jie pasižymi paprastu gamybos procesu, tam naudojamos labai pigios medžiagos, nereikalinga brangi įranga. Šie SE neseniai pasiekė 11,8% efektyvumą [6]. Jų veikimo principas: šviesa pereina pro skaidrų viršutinį kontaktą (TCO) (anodą) ir krenta į permatomą TiO₂ sluoksnį. TiO₂ yra labai porėta medžiaga, tad ji turi didelį paviršiaus plotą. Ant jo paviršiaus patekusios dažų molekulės su alavo dioksidu yra susietos kovalentiniais ryšiais. Fotonai, (TiO₂ sluoksnis absorbuoja tik nedidelę UV spindulių dalį) su pakankamai didele energija bombarduojantys dažų sluoksnį sukuria dažų sužadintąją būseną, iš kurios elektronai gali būti pernešti į TiO₂ laidumo juostą. Iš ten difuzijos būdu elektronai juda prie anodo. Tuo pat metu netekusi elektrono dažų molekulė, kad nesuirtų, pasiima vieną elektroną iš jodido (angl. iodide), esančio elektrolite po TiO₂ sluoksniu. Šiame procese jis oksiduojamas į trijodidą (angl. triiodide). Praradęs elektroną trijodidas difuzijos būdu pasiekia dugną,kur esantis elektrodas jam gražina per išorinę gardelę perėjusį elektroną. DSSC privalumai: elektronai tiesiogiai pernešami į laidumo juostą; į TiO₂ sluoksnį injektuojamas tik elektronas, o ne elektrono ir skylės pora; šie SE, kaip ir daugelis plonasluoksnių, yra mechaniškai atsparūs. Pagrindinis jų trūkumas – skysto elektrolito buvimas, kuris pasižymi temperatūriniu nestabilumu [2, 3]. Nors vietoje elektrolito gali būti naudojami ir kietieji kūnai, bet tokių elementų efektyvumas yra 2 – 3 kartus mažesnis. Dažais įjautrinti SE dažnai demonstruojami mokymosi tikslais, pasidaryk pats tipo rinkiniuose [8]. Aišku gaminant namų sąlygomis šių elementų efektyvumas yra labai mažas, tad jie netinkami naudoti praktiškai.

Tad verta atlikti įvarius tyrimus siekiant padidinti šių ir kitų SE efektyvumą, supaprastinti gamybos procesą bei siekiant sukurti kitus, tobulesnius. Kadangi kaskart juos gaminti ir tikrinti efektyvumą būtų sudėtingas ir daug laiko užimantis procesas, Saulės elementai modeliuojami kompiuterinėmis programomis, pavyzdžiui, Silvaco TCAD programiniu paketu.

[pav]4 pav. Saulės elementų klasifikacija

[pav]5 pav. Geriausi pasiekti SE efektyvumai

SILVACO TCAD programų paketas. Modeliavimo rezultatai.

Siekiant sukurti vis tobulesnius Saulės elementus turi būti atliekami įvairūs tyrimai ir bandymai, tačiau tai atlikti laboratorijose kaskart kuriant naują struktūrą ir stebėti rezultatus yra nepatogu ir užima daug laiko. Be to, kai kurių parametrų iš viso nėra galimybės išmatuoti praktiškai. Dėl šių priežasčių sukurti kompiuterinių programų paketai, kurie remiantis fizikiniais modeliais leidžia simuliuoti įvairias struktūras ir stebėti netgi tuos parametrus, kurių praktikoje išmatuoti nėra galimybės. Vienas iš tokių programų paketų yra Silvaco TCAD. Svarbiausi į jį įeinantys įrankiai – Atlas ir Athena. Atlas teikia galimybę modeliuoti projektų automatizavimo procesus (simuliuoti gamybos procesą), o Athena – tirti puslaidininkiuose vykstančius procesus, modeliuoti struktūras dvimatėje ir trimatėje erdvėje.

Šio tyrimo tikslas – sumodeliuoti keletą perspektyvių Saulės elementų struktūrų ir pažiūrėti kaip kinta efektyvumas priklausomai nuo sluoksnių storių, priemaišų koncentracijos bei paviršiaus. Šioje ataskaitoje pateikiami elementariausio, CIGS plonasluoksnio, silicio n⁺-p-p⁺ ir daugiasluoksnio elemento modeliavimo rezultatai.

Pats paprasčiausias SE, kaip jau buvo minėta, gali būti sudarytas tik iš viršuje esančio plono n ir po juo esančio storesnio p tipo puslaidininkių sandūros (žr. 6 pav.). Tuomet fotonas, patekęs į kurį nors puslaidininkį, gali sukurti elektrono ir skylės porą. Jei elektronas sėkmingai pasiekia n tipo puslaidininkį, o skylė į p tipo, atsiranda elektros srovė. Tokio SE modeliavimo Silvaco TCAD Atlas įrankiu aprašymas pateiktas A priede. Keičiant sluoksnių storius ar priemaišų koncentracijas, galima gauti skirtingą efektyvumą. Taigi, žemiau pateikta, kaip tuomet kinta tokio SE efektyvumas (žr. 1 ir 2 lenteles).

Keičiant sluoksnių storius pavyko pasiekti 1,92% efektyvumą, kuomet p tipo sluoksnio storis lygus 2,8μm, o n tipo – 0,2 μm (žiūrėti 1 lentelę). Tuomet imta keisti priemaišų koncentracijas. Kai p tipo puslaidininkyje buvo 8·10¹⁶ cm^-3, o n tipo – 8·10¹⁸ cm^-3 efektyvumas padidėjo iki 2,33% (žr. 2 lentelę).

1 lentelė. Elementariausio SE efektyvumo priklausomybė nuo sluoksnių storių. Priemaišų koncentracijos: p-tipo puslaidininkyje 8·10¹⁸, o n-tipo – 2·10¹⁸

2 lentelė. Elementariausio SE efektyvumo priklausomybė nuo priemaišų koncentracijų, kai p ir n tipo sluoksnių storiai atitinkamai lygūs 2,8 ir 0,2 μm

Buvo nubraižytos ir šio SE charakteristikos, kuomet jo efektyvumas buvo lygus 1,74%. 7 pav. vaizduojama šio SE voltamprinė charakteristika (VACh) – katodo srovės priklausomybė nuo anodo įtampos. Ši charakteristika panaši į diodo: gaunama leidžiant srovę, kuomet elementas neapšviestas. Kadangi SE veikia šalutinių krūvininkų dėka, tiriamojo silicio SE gaunama tuščios eigos įtampa negali viršyti 0,6 – 0,7V, kuomet sandūra imtų atsidaryti. 8 pav. matoma gaunamos energijos priklausomybė nuo skirtingo bangos ilgio šviesos, krintančios į šio SE paviršių. Tiesė vaizduoja į elemento paviršių krintančių fotonų energiją, pagal Planko formulę E = hf, raudona kreivė vaizduoja puslaidininkių absorbuotą energiją, o mėlyna – šiuo SE gautą elektros enegiją. 9 pav. vaizduojama jo absorbcijos charakteristika: kaip galima pastebėti ir iš 8 pav., geriau absorbuojama aukštesnio dažnio šviesa (žalia ir raudonos kreivės tiesinė dalis yra lygiagrečios – šiuo atveju jos dar ir sutampa).

[pav daug]

Modeliuotame CIGS SE pn sandūrą sudaro CdS ir CuInGaSe, sidabras sudaro katodą, o ZnO – anodą, kuris praleidžia šviesą (TCO - Transparent Conductive Oxide). Tokio komercinio SE efektyvumas yra maždaug 14,5%. o laboratorijose atliekant tyrimus pavyko pasiekti 20,3% [6]. Jo sandara pateikta 10 pav.

CIGS SE modeliavimo metu pavyko pasiekti 24,9% efektyvumą. Tuomet kadmio sulfato (CdS) sluoksnio storis 500nm, o CIGS sluoksnio –2 μm, bei priemaišų koncentracijos puslaidininkiuose lygios 10¹¹ ir 10¹². Tačiau tai rezultatai idealiu atveju. Atsižvelgus į gamybos procesą bei realiame gyvenime vykstančius procesus, kaip jau minėta, geriausias praktiškai pasiektas rezultatas: 20,3% [6]. 3 ir 4 lentelėse pateikti šio elemento modeliavimo, keičiant sluoksnių storius bei priemaišų koncentracijas, rezultatai.

Šio SE aprašymas Silvaco TCAD programinio paketo Atlas įrankiui pateiktas priede C.

3 lentelė. CIGS Saulės elemento efektyvumo priklausomybė nuo sluoksnių storių. Priemaišų koncentracijos puslaidininkiuose vienodos – po 10²⁰.

4 lentelė. CIGS Saulės elemento efektyvumo priklausomybė sluoksnių priemaišų koncentracijų. CIGS ir CdS sluosnių storiai atitinkamai lygūs 2,0 μm ir 0,5 μm.

Modeliuojant silicio n⁺-p-p⁺ SE pavyko pasiekti 7,1% efektyvumą, kuomet n⁺, p ir p⁺ sluoksnių storiai atitinkamai buvo lygūs 0,3 μm, 5,4 μm ir 0,3 μm, o priemaišų koncentracijos atitinkamai 10²⁰ cm^-3_, 10¹⁵ cm^-3ir10²⁰ cm^-3. Šis SE turi SiO₂, kuris sumažina atspindžius, tad tai padidina efektyvumą. Jo sandara pateikta 11 pav., 12 pav. pateiktame grafike vaizduojama, kokia energija gaunama, į jo paviršių krintant skirtingo bangos ilgio šviesai [9]. Šiuo atveju matyti, kad, kaip ir elementariausio SE atveju (žr. 9 pav), geriausia absorbuojama aukštesnio dažnio šviesa: raudonos kreivės dalis tuomet yra lygiagreti tiesei. Geriau tai matoma absorbcijos charakteristikoje (žr. 13 pav.). 14 pav. pateikta šio n⁺-p-p⁺ SE voltamperinė charakteristika (VACh).

[pav daug]

5 ir 6 lentelėse pateikti šio n⁺-p-p⁺ elemento modeliavimo, keičiant sluoksnių storius bei priemaišų koncentracijas, rezultatai.

5 lentelė. n⁺-p-p⁺ Saulės elemento efektyvumo priklausomybė nuo priemaišų koncentracijų sluoksniuose, kai n⁺, p ir p⁺ sluoksnių storiai atitinkamai lygūs 0,3μm, 5,4μm ir 0,3μm.

6 lentelė. n⁺-p-p⁺ Saulės elemento efektyvumo priklausomybė nuo sluoksnių storių, kuomet n⁺ ir p⁺sluoksciuose priemaišų koncentracijos pastovios – po 10¹⁷, o p-tipo – 10¹⁵.

Taigi, modeliuojant n⁺-p-p⁺ SE ir keičiant jo p tipo sluoksnio priemaišų koncentraciją pavyko pasiekti daugiausia 7,1% efektyvumą. Šio SE aprašymas Silvaco TCAD programinio paketo Atlas įrankiui pateiktas priede B.

15 pav. pateikta tandeminio (dar vadinamo daugiasluoksniu) SE, sudaryto iš dviejų pn sandūrų, atskirtų GaAs tuneline sandūra, modeliavimo rezultatai: efektyvumo priklausomybė nuo viršutinio sluoksnio storio ir jo priemaišų koncentracijos. Didžiausią teorinį efektyvumą (31,3%) pavyko pasiekti, kai viršutinis InAlGaP sluoksnis buvo 20 μm storio (žr. 7 lentelę), o priemaišų koncentracija 2∙10¹⁸ cm^-3 (žr. 8 lentelę). Keičiant priemaišų koncentraciją efektyvumas kinta ne taip sparčiai, didžiausią pavyko pasiekti (30,8%), kai jų koncentracija 2∙10¹⁶ cm^-3, o sluoksnio storis bandymo metu buvo pastovus – 30 μm.

<pre>7 lentelė. Efektyvumo priklausomybė nuo viršutinės 8 lentelė. Efektyvumo p sandūros storio. sandūros priemaišų koncentracijos.</pre>

Priedas A

GO ATLAS
TITLE Elementariausio Saules elemento simuliavimas

# Gautas efektyvumas: 0.92%

### Struktūros aprašymas ###

# Aprašomas tinklelis 

# Tinklelio aprašymo pradžią nurodo komanda MESH. "SPACE.MULT" - tai tinklelio daugiklis. 
# Taigi, jei SPACE.MULT < 1, tai tinklelis yra tankesnis, jei SPACE.MULT > 1 - retesnis, 
# o jeigu lygus vienetui, tai tinklelis yra realaus dydžio.
MESH SPACE.MULT = 0.7

# Aprašoma tinklelio vertikalioji komponentė. Kadangi šioje struktūroje sluoksniai yra iš-
# dėstyti tik horizontaliai, nėra prasmės sudarinėti tankų arba/ir kintamo tankio tinklelį,
# tad nurodyta, kad jis būtų palyginti retas.
X.MESH LOC = -250 SPAC = 25
X.MESH LOC =  250 SPAC = 25

# Sluoksniai išdėstyti vertikaliai, tad norint greito skaičiavimo bei tikslių rezultatų, 
# reikia tinklelį sluoksnių sandūrose tankint.
Y.MESH LOC = -3.0 SPAC = 0.002
Y.MESH LOC = -2.8  SPAC = 0.01
Y.MESH LOC = 0    SPAC = 0.1

# Aprašomi sluoksniai. Šį Saulės elementą sudaro tik du sluoksniai. nuo -3,0 iki -2,995
# yra viršus, o toliau apačia.
REGION NUM = 1 X.MIN = -250 X.MAX = 250 Y.MIN = -3.0 Y.MAX = -2.995 MATERIAL = Silicon 
REGION NUM = 2 X.MIN = -250 X.MAX = 250 Y.MIN = -2.995 Y.MAX = 0    MATERIAL = Silicon

# Aprašomi idealūs elektrodai. Anodas yra viršutinis - į jį krinta šviesa.
ELECTRODE NAME = "Anode"  X.MIN = -250  X.MAX = 250 top 
ELECTRODE NAME = "Cathode"    X.MIN = -250 X.MAX = 250 bottom

# Priemaišų koncentracijos (legiravimas). Laikoma, kad priemaišų koncentracija puslaidi-
# ninkyje pastovi.
DOPING UNIFORM REGION = 1 N.TYPE CONC = 2E18
DOPING UNIFORM REGION = 2 P.TYPE CONC = 8E18

### Modeliavimo aprašymas ###
# Models: Fiziniai simuliavimo modeliai parenkami 
# SRH - Širahatos modelis
# FLDMOB - nuo elektrinio lauko priklausomas krūvininkų mobilumas.
# CONSRH - nuo koncentracijos priklausoma krūvininkų gyvavimo trukmė.

MODELS SRH FLDMOB CONSRH 

# Vartotojui pateikiamas struktūros vaizdas.
struct outf = elementarus.str
tonyplot  elementarus.str -set pn_cell.set

### Skaičiuojamos priklausomybės nuo šviesos dažnio ###
# Tam pirmiausia sukuriamas failas
LOG OUTFILE = SPECTRUM.LOG

# Nustatomas šviesos šaltinis
beam  num=1 x.origin=0 y.origin=-15.0 angle=90.0  

# Tuomet pradedamas sprendimas. Stebimi rezultatai su skirtingo dažnio šviesa.
solve init b1=0
solve b1=1 lambda=0.3
solve b1=1 lambda=0.35
solve b1=1 lambda=0.4
solve b1=1 lambda=0.45
solve b1=1 lambda=0.5
solve b1=1 lambda=0.55
solve b1=1 lambda=0.6
solve b1=1 lambda=0.65
solve b1=1 lambda=0.7
solve b1=1 lambda=0.75
solve b1=1 lambda=0.8
solve b1=1 lambda=0.85
solve b1=1 lambda=0.9
solve b1=1 lambda=0.95
solve b1=1 lambda=1.00
# Uždaromas LOG failas. Rezultatai surašyti.
log off

# Pateikiami gauti rezultatai (Available, Source, Cathode current vs. optical wavelenght):
#  - Pagal Planko formulę (E=hf) paskaičiuota fotono, krintančio į paviršių, energijos 
# priklausomybė nuo šviesos bangos ilgio.
#  - Silicio absorbuojamos šviesos energijos priklausomybė nuo jos bangos ilgio.
#  - Gaunamos srovės priklausomybė nuo absorbuotos šviesos energijos bangos ilgio.
TONYPLOT SPECTRUM.LOG -set pn_cell1.set

# Absorbcijos charakteristika prie skirtingų šviesos bangos ilgių.
TONYPLOT SPECTRUM.LOG -set pn_cell3.set

### Gaunama voltamperine charakteristika (VACh) ###
# Nustatomas šviesos šaltinis
beam num=1 x.origin=0 y.origin=-5.0 angle=90.0 wavel.start=0.3 wavel.end=1.2 wavel.num=50
# Pradedamas sprendimas.
SOLVE INIT
LOG OUTFILE = VA.LOG
# Skaičiuojama VACh. Pradžioje tiesė, tad didelio tikslumo nereikia - taip pagreitinamas 
# sprendimas.
SOLVE NAME="Anode" VANODE=0.0 VSTEP=0.1 VFINAL=0.5 b1=1
# Toliau, kai pasiekiama 0,6V riba, charakteristika tampa panaši į parabolę, tad jau rei-
# kalingas didesnis tikslumas.
SOLVE NAME="Anode" VSTEP=0.01 VFINAL=0.7 b1=1
LOG OFF

# Pateikiama VACh
TONYPLOT VA.LOG -set pn_cell2.set

### Pagal VACh randami Saulės elemento parametrai ###
# Nurodomas failas, kuriame surašyti VACh duomenys
extract init infile="VA.LOG"
# Skaičiuojamos Saulės elemento specifikacijos, efektyvumas.
method maxtrap=10
solve init
solve b1=1
log outf=elementarus_1.log
solve vanode=0.0 name=anode vstep=0.02 vfinal=1.45
extract init infile="elementarus_1.log"

# Trumpo jungimo srove
extract name="Isc" y.val from curve(V."Anode", I."Cathode") where x.val=0.0
# Trumpo jungimo srovės tankis
extract name="Jsc" max(curve(v."anode", i."cathode"))
# Tuščios eigos įtampa
extract name="Voc" x.val from curve(v."anode", i."anode") where y.val=0.0
# Galia
extract name="P" curve(v."anode", (v."anode" * i."anode")) outf="solarex12_P.dat"
# Maksimali galia 
extract name="Pm" min(curve(v."anode", (v."anode" * i."anode"))) 
# Vm - įtampa, kuomet galia yra maksimali
extract name="Vm" x.val from curve(v."anode", (v."anode"*i."anode") ) 
	where y.val=$"Pm"
# Im - Srovė, kuomet galia yra maksimali
extract name="Im" $"Pm"/$"Vm"

# EFEKTYVUMAS
extract name="Eff" -(1e8*$Pm/(0.1*500))*100

QUIT

Priedas B

GO ATLAS
TITLE Amorfinio Si Saules elemento simuliavimas

# Gautas effektyvumas: 6.4

# Aprašomas tinklelis

# Vertikalios sandūros:
# Šonuose yra neskaidrūs kontaktai, tad yra ir vertikaliu sandūrų, kur reikėtu tinklelį tankint
# dėl tikslesnio skaičiavimo.
MESH SPACE.MULT = 3
X.MESH LOC = 0 SPAC = 1
X.MESH LOC = 0.05 SPAC = 0.1
X.MESH LOC = 0.08 SPAC = 0.01
X.MESH LOC = 0.1  SPAC = 0.002
X.MESH LOC =  0.12 SPAC = 0.01
X.MESH LOC =  0.15 SPAC = 0.01
X.MESH LOC = 0.2 SPAC = 0.1
X.MESH LOC =  1 SPAC = 1

# Horizontalios sandūros:
Y.MESH LOC = -0.1 SPAC = 0.01
Y.MESH LOC =  0 SPAC = 0.002
Y.MESH LOC = 0.15 SPAC = 0.01
Y.MESH LOC = 0.3 SPAC = 0.002
Y.MESH LOC = 0.45 SPAC = 0.01
Y.MESH LOC = 1    SPAC = 0.1
Y.MESH LOC = 5.6    SPAC = 0.01
Y.MESH LOC = 5.7    SPAC = 0.002
Y.MESH LOC = 5.8    SPAC = 0.01
Y.MESH LOC = 6.0    SPAC = 0.002
Y.MESH LOC = 6.1    SPAC = 0.01

# Sluoksniai
REGION NUM = 1 X.MIN = 0.1 X.MAX = 1 Y.MIN = -0.1 Y.MAX = 0  MATERIAL = SiO2
REGION NUM = 2 X.MIN = 0 X.MAX = 1 Y.MIN = 0 Y.MAX = 0.3  MATERIAL = Silicon 
REGION NUM = 3 X.MIN =  0  X.MAX = 1 Y.MIN = 0.3 Y.MAX = 5.7  MATERIAL = Silicon 
REGION NUM = 4 X.MIN = 0  X.MAX = 1  Y.MIN = 5.7 Y.MAX = 6.0 MATERIAL = Silicon 

# Elektrodai
ELECTRODE NAME = "Cathode"  MATERIAL = Al   X.MIN = 0  X.MAX = 0.1  Y.MIN = -0.1   Y.MAX = 0 
ELECTRODE NAME = "Anode"    MATERIAL = Al   X.MIN = 0  X.MAX = 1    Y.MIN = 6.0    Y.MAX = 6.1

# Priemaišų koncentracijos (legiravimas)
DOPING UNIFORM REGION = 2 N.TYPE CONC = 1E17
DOPING UNIFORM REGION = 3 P.TYPE CONC = 1E15
DOPING UNIFORM REGION = 4 P.TYPE CONC = 1E17

# Isvedama struktura
save outf=si.str
tonyplot si.str 

# Fiziniai simuliavimo modeliai parenkami 
# temp - temperatūra. 300K, t.y. 27 laipsniai celsijaus.
MODELS SRH FLDMOB CONSRH temp=300

# Parametrų priklausomybė duo šviesos bangos ilgio.
LOG OUTFILE = SPECTRUM.LOG
beam  num=1 x.origin=0.5 y.origin=-10.0 angle=90.0  

solve init b1=0
LOG OUTFILE = SPECTRUM.LOG

solve b1=1 lambda=0.4
solve b1=1 lambda=0.45
solve b1=1 lambda=0.5
solve b1=1 lambda=0.55
solve b1=1 lambda=0.6
solve b1=1 lambda=0.75
solve b1=1 lambda=0.8
solve b1=1 lambda=0.85
solve b1=1 lambda=0.9
solve b1=1 lambda=0.95
solve b1=1 lambda=1.00
log off

# Isvedami gauti rezultatai (Available, Source, Cathode current vs. optical wavelenght)
TONYPLOT SPECTRUM.LOG -set pn_cell1.set
# Absorbcijos charakteristika prie skirtingu sviesos dazniu
TONYPLOT SPECTRUM.LOG -set pn_cell3.set

## Skaiciojamos Saules elemento specifikacijos, efektyvumas ##
beam num=1 x.orig=0.5 y.orig=-10 angle=90 AM1.5.spec verbose back.reflect reflect=2
method maxtrap=10
output opt.int band.temp
solve init

solve b1=1
log outf="vach_m.log"
solve vanode=0.0 name=anode vstep=0.02 vfinal=1.45
log off 
TONYPLOT "vach_m.log" -set pn_cell2.set

extract init infile="vach_m.log"

# Trumpo jungimo srove
extract name="Isc" y.val from curve(V."Anode", I."Cathode") where x.val=0.0
# Trumpo jungimo laidis
extract name="Jsc" y.val from curve(v."anode", i."anode") where x.val=0.0
# Trumpo jungimo laidis, isreikstas mA/cm^2
extract name="JscmAcm2" $Jsc*1e08*1e03/10
# Tuscios eigos itampa
extract name="Voc" x.val from curve(v."anode", i."anode") where y.val=0.0
# Galia
extract name="P" curve(v."anode", (v."anode" * i."anode")) outf="solarex12_P.dat"
# Maksimali galia 
extract name="Pm" min(curve(v."anode", (v."anode" * i."anode"))) 
# Vm - Itampa, kuomet galia yra maksimali
extract name="Vm" x.val from curve(v."anode", (v."anode"*i."anode") ) where y.val=$"Pm"
# Im - Srove, kuomet galia yra maksimali
extract name="Im" $"Pm"/$"Vm"
# EFEKTYVUMAS
extract name="Eff" -(1e8*$Pm/(0.1*1))*100

QUIT

Priedas C

TITLE Plonasluoksnio CIGS Saules elemento simuliavimas

# Efektyvumas: 21.1%

GO ATLAS

# Aprašomas tinklelis
mesh space.mult = 1
x.m l=0 s=2.5
x.m l=10 s=2.5

y.m l=-0.5 s=10
y.m l=0 s=0.1
y.m l=0.49 s=0.002
y.m l=0.51 s=0.002
y.m l=1.5 s=0.5
y.m l=2.4 s=0.01
y.m l=2.5 s=0.002
y.m l=2.6 s=0.01
y.m l=3.1 s=0.3
y.m l=3.65 s=0.01
y.m l=3.75 s=0.002
y.m l=3.85 s=0.01
y.m l=4 s=0.1
y.m l=4.15 s=0.01
y.m l=4.25 s=0.002
y.m l=4.45 s=0.002
y.m l=4.55 s=0.01

# Parenkamos medžiagos, aprašoma Saulės elemento struktūra
region num=1 y.min=0 y.max=0.5 mat=CdS 
region num=2 y.min=0.5 y.max=2.5 material =CIGS
region num=3 y.min=2.5 y.max=4.0 mat=Molibdinum conductor

# Aprašomi elektrodai
elec num=1 name=anode material=ZnO y.min=-0.5 y.max=0
elec num=2 name=cathode y.min=4.0 y.max=4.55 material=Silver

# Aprašomas priemaišų kiekis puslaidininkiuose (legiravimas)
doping region=1 uniform p.type conc=1e11
doping region=2 uniform n.type conc=1e11

# Aprašoma interferencija
 interface optical diffusive dispersion=45 specular=1 scattered=44 
 y.min=0.495 y.max=0.505 absorption=0 region=2
 interface s.s y.min=0.5 y.max=0.52 s.n=1e5  s.p=1e5

# Aprašomos laidininkų varžos (t.y. tų regionų, kurie buvo pažymėti kaip laidininkai)
material region=3  resistivity=5e-4

# Paimami medžiagų parametrai iš failų
material material=Silver sopra=Ag.nk
 
# aprašomas krūvininkų judrumas ir gyvavimo trukmė
# taun0 - elektronų gyvavimo trukmė
# taup0 - skylių gyvavimo trukmė
# eg300 - draustinės juostos plotis, kai T=300K (eV)
# nc300 - leidžiamas elektronų skaičius laidumo juostoje, kai T=300K (eV)
# nv300 - leidžiamas elektronų skaičius valentinėje juostoje, kai T=300K (eV)
material region=1 taun0=1e-9 taup0=1e-8 eg300=2.48 nc300=2.41e18 nv300=2.57e19 
material region=2 taun0=1e-9 taup0=1e-8 eg300=1.16 nc300=2.20e18 nv300=1.80e19

# mun0 - elektronų judris
# mup0 - skylių judris
mobility region=1 mun0=100 mup0=25
mobility region=2 mun0=100 mup0=25

# aprašomi defektai
defect region=1 continuous nta=5e19 ntd=5e19 wta=0.01 wtd=0.02 
  nga=0 ngd=0 ega=0.8 egd=0.8 wga=0.2 wgd=0.188 
  numa=50 numd=50 sigtae=5e-16 sigtah=1e-15 sigtde=1e-15 sigtdh=1e-15
defect region=2 continuous nta=5e19 ntd=5e19 wta=0.01 wtd=0.02 
  nga=0 ngd=0 ega=0.8 egd=0.8 wga=0.2 wgd=0.188 
  numa=50 numd=50 sigtae=5e-16 sigtah=1e-15 sigtde=1e-15 sigtdh=1e-15

# Nurodomi simuliavimo modeliai
models print consrh 

# aprašomas AM1,5 šviesos šaltinis
beam num=1 x.orig=5 y.orig=-10 angle=90 AM1.5.spec verbose back.reflect reflect=2

method maxtrap=10
output opt.int band.temp

# Pateikiama struktūra
save outf="cigs.str"
tonyplot "cigs.str" -set "cigs.set"

# Gaunama VACh
solve init
solve b1=1
log outf="vach.log"
solve vanode=0.0 name=anode vstep=0.02 vfinal=1.45
tonyplot "vach.log" -set "vach.set"
extract init infile="vach.log"

# Shaičiuojami Saulės elemento parametrai:

# Trumpo jungimo srove
extract name="Isc" y.val from curve(V."Anode", I."Cathode") where x.val=0.0 
# Trumpo jungimo laidis
extract name="Jsc" y.val from curve(v."anode", i."anode") where x.val=0.0
# Trumpo jungimo laidis, miliamperais kvadratiniame centimetre.
extract name="JscmAcm2" $Jsc*1e08*1e03/10
# Tuscios eigos itampa
extract name="Voc" x.val from curve(v."anode", i."anode") where y.val=0.0
# Elemento galia
extract name="P" curve(v."anode", (v."anode" * i."anode")) outf="solarex12_P.dat" 
# Elemento maksimali galia
extract name="Pm" min(curve(v."anode", (v."anode" * i."anode"))) 
# Vm - Itampa, kuomet galia yra maksimali
extract name="Vm" x.val from curve(v."anode", (v."anode"*i."anode") ) 
	where y.val=$"Pm"
# Im - Srove, kuomet galia yra maksimali
extract name="Im" $"Pm"/$"Vm"

extract name="EFEKTYVUMAS" -(1e8*$Pm/(0.1*10))*100
 
quit

Literatūra

Literatūra

[1] Thin-Film Cost Reports. http://www.pvinsights.com/Report/ReportPM.php, 2011

[2] Lynn, A. P. Electricity from Sunlight. John Wiley & Sons, Ltd., 2010, 25-83.

[3] Karolis Kiela. Fotovoltiniai elementai. Mokslas – Lietuvos ateitis. 2012, 4(1), 56-62.

[4] Green, M. A.; Emery, K.; Hishikawa, Y.; Warta, W. 2011. Solar Cell Efficiency Tables (version 37) [žiūrėta 2012 m. balandžio 30d.]. Prieiga per internetą: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pip.1088/pdf.

[5] Green, M. A. Crystalline Silicon Solar Cells, 2001.

[6] NREL Research Cell Efficiency Records [žiūrėta 2012 m. liepos 9d.]. Prieiga per internetą: http://www.nrel.gov/ncpv/.

[7] Nanosolar inc.[žiūrėta 2012 m. liepos 9d.]. Prieiga per internetą: http://www.nanosolar.com

[8] Selfmade DIY Solar Cell - TiO2 Raspberry based Graetzel cell [žiūrėta 2012 m. liepos 9d.]. Prieiga per internetą: http://www.nanosolar.com

[9] Balaji Padmanabhan Modeling of Solar Cells, 2008 lapkritis, 45-59.

Write Comment

Comments