هنگام تجزیه و تحلیل دستگاه‌های نیمه رسانا، مهم است مولتی فیزیک مؤثر بر عملکرد آن‌ها مورد بررسی قرار گیرد. ماژول نیمه رسانا (محصول اضافه شده به نرم افزار ®COMSOL Multiphysics) می‌تواند به شما در الگوسازی این دستگاه‌های پیچیده کمک کند. در این پست وبلاگ، ما در مورد آموزش مدل سازی سلول خورشیدی سیلیکون 1D بحث می‌کنیم، که در آخرین نسخه نرم افزار ®COMSOL یعنی نسخه 5.3 در دسترس است.
برنامه‌های گسترده ی سلول‌های خورشیدی
سلول‌های خورشیدی یا فتوولتائیک برای کاربردهایی از قبیل شارژ باتری در خانه‌ها و حتی فضاپیماهای پرقدرت استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، فضاپیمای جونو ناسا، به لطف عملکرد سلول‌های خورشیدی توانست مأموریتی را که در مورد سیاره مشتری داشت، به اتمام برساند. قدرت تولید شده توسط سلول‌های خورشیدی باعث شد جونو بتواند اطلاعات جدیدی درباره سیاره مشتری جمع کند و همچنین به دانشمندان کمک کرد تا درباره کره زمین اطلاعات بیشتری کسب کنند.
جونو، فضاپیمای خورشیدی ناسا، در نزدیکی مشتری.
برای اینکه برنامه‌های کاربردی مانند مأموریت جونو امکان پذیر باشد، باید مدل سازی و آنالیز سلول خورشیدی به دقت انجام گیرد. به طور خاص، مهندسان باید به مواد نیمه رسانا توجه ویژه ای داشته باشند. مواد نیمه رسانا در سلول‌های خورشیدی نور را جذب می‌کنند که در نهایت به برق تبدیل میشود. بنابراین، درک چگونگی عملکرد مواد نیمه رسانا، مانند سیلیکون (Si)، در آنالیز سلول‌های خورشیدی برای تحلیل دقیق عملکرد آن‌ها ضروری است.
پنل خورشیدی که از سلول‌های خورشیدی سیلیکونی تشکیل شده است. تصویر توسط Lamiot . دارای مجوز تحت لیسانسCC BY-SA 3.0، از طریق Wikimedia Commons.
ماژول نیمه رسانا به عنوان ابزاری معتبر برای تجزیه و تحلیل این طرح‌ها و بررسی همه اثرات فیزیکی مربوطه به کار گرفته میشود. برای درک بهتر کارکردهای موجود در این محصول اضافه شده، بیایید با نسخه 5.3 نرم افزار ®COMSOL Multiphysics، آموزش Si Solar Cell 1D را امتحان کنیم.
مدل سازی سلول خورشیدی سیلیکونی با ماژول نیمه رسانا
مدل سازی سلول خورشیدی، متشکل از یک نقطه اتصال 1D Si p-n است که شامل یک بازترکیب Shockley-Read-Hall و تولید حامل است. به طور معمول، حامل‌های تولید شده در یک سلول خورشیدی سیلیکونی، در اطراف منطقه ی تخلیه اتصال p – n قرار دارند. که می‌توانیم با اعمال یک بایاس مستقیم کوچک (نحوه وصل کردن منبع ولتاژ به دیود) به سلول خورشیدی، انرژی الکتریکی را استخراج کنیم. انرژی توسط ولتاژ اعمالی و فتوکورنت (جریان نوری) اعمال میشود. هدف از این مدل پیش بینی رفتار سلول خورشیدی سیلیکونی تحت تأثیر بایاس مستقیم و ولتاژ اعمال شده بین 0 تا 6/0 ولت است.
در اینجا نگاهی به اتصالات p-n سیلیکون خواهیم کرد، که از p-دوپینگ سطح جلویی و ویفر سیلیکونی نوع (n)، تشکیل شده است. ویفر سیلیکونی نوع (n) به وسیله توده یکنواخت n-دوپینگ ایجاد میشود. هر دو شکل دوپینگ، یعنی سطح جلوی و توده یکنواخت، به ترتیب با استفاده از مشخصه Geometric Doping Model و یک nalytic Doping Model محاسبه می‌شوند. همچنین یک Boundary Selection برای گره Doping Profile استفاده میشود تا سطح تعریف گردد و دو مشخصه Metal Contact را اضافه می‌کنیم تا اتصالات الکتریکی بین سطح جلوی و پشتی مشخص شود.
مدل خورشیدی سیلیکونی 1D
در اینجا اثر بازترکیبی اصلی با مدل Shockley-Read-Hall Recombination شرح داده شده است، که از طریق مشخصه Trap-Assisted Recombination انجام میشود. برای ساده کردن این مدل، یک عبارت اختیاری تعریف شده، توسط کاربر را اضافه شده، تا میزان تولید با مشخصه User-Defined Generation نشان داده شود. با این کار می‌توان در طی مدل سازی از اثر فتوولتائیک بر مکانیسم تولید حامل جلوگیری کرد.
همچنین می‌توان عبارات پیچیده تری را جهت پیشرفته کردن مدل به آن اضافه کرد. به عنوان مثال، می‌توان آن را با شبیه سازی پرتوهای نوری ترکیب کرد تا آنالیز سلول خورشیدی Si در یک تاریخ و مکان خاص انجام دهد، همانطور که در Si Solar Cell با برنامه نمایشی Ray Optics شرح داده شده است.
در مراحل بعدی در مورد نتایج مدل بحث میشود.
ارزیابی عملکرد یک سلول خورشیدی Si در ®COMSOL Multiphysics
در اولین طرح ارائه شده، غلظت بالای 10 میکرومتر دهنده و گیرنده در زیر سطح جلویی سلول خورشیدی با هم مقایسه شده است. همانطور که در زیر نشان داده شده، در حالی که غلظت دهنده یکسان است، غلظت گیرنده به شدت کاهش می‌یابد. قابل ذکر است که برای جلوگیری از خطاهای تنظیم تصادفی، بهتر است که مشخصات دوپینگ مدل بررسی شود.
مقایسه غلظت دهنده و گیرنده.
همچنین می‌توان میزان بازترکیبی Shockley-Read-Hall و میزان تولید عکس تعریف شده توسط کاربر در ضخامت کل سلول را بررسی کرد. طرح نمونه در زیر نشان می‌دهد، مطابق انتظار، عبارت تعریف شده توسط کاربر برای یک تابع نمایی ، خطی مستقیم است.
مقایسه میزان بازترکیبی Shockley-Read-Hall و میزان تولید تعریف شده توسط کاربر
در نهایت، منحنی I-V و P-V سلول خورشیدی ترسیم میشود. این امر منجر میشود تا تعدادی از پارامترهای اصلی کارایی سلول ، از جمله حداکثر توان (6.8 مگاوات ساعت)، جریان اتصال کوتاه (14 میلی آمپر) و ولتاژ مدار باز (0.57 ولت) تجسم شود. هر دو منحنی IV و PV تولید شده توسط این مدل با سلول‌های خورشیدی معمولی مطابقت دارند و به دقت ماژول نیمه رسانا کمک می‌کنند.
منحنی I-V (سمت چپ) و منحنی P-V (راست) در سلول خورشیدی.
مدل آموزشی که در اینجا مورد بحث قرار گرفت، تنها یک نمونه از چگونگی استفاده از ماژول نیمه رسانا برای آنالیز سلول خورشیدی است.
این متن از وبسایت comsol به فارسی با عنوان تجزیه و تحلیل طرح سلول خورشیدی سیلیکونی با ماژول نیمه رسانا در نرم افزار کامسول برگردان شده است، استفاده از ترجمه با ذکر نام کامسولفا مجاز است. مشاهده متن اصلی
منابع بیشتر
به روزرسانی های اضافه شده در مورد ماژول نیمه رسانا در صفحه: Release Highlights page
سایر پست‌های وبلاگ در مورد مدل سازی نیمه هادی را بخوانید: