مقاله پژوهشی:بررسی عوامل افزایش بازده در سلول خورشیدی ناهمجنس با نقاط کوانتومی

Abstract

ضخامت لایۀ­ نقاط کوانتومی و نیمه­رسانای شفاف با شکاف بزرگ، میزان ناخالصی لایۀ نقاط کوانتومیو نوع فلز آند از جمله عوامل تأثیرگذار بر بازدهِ سلول­های خورشیدی نقطۀ کوانتومی ناهمجنس (HQDSC) می­باشند. در این مقاله با استفاده از نرم­افزار کامسول نسخه 4/5، ابتدا سلولی شامل یک لایه از نقاط کوانتومی سولفید سرب (PbS) پوشیده از لیگاندهای کوتاه و یک لایه نیمه­رسانای اکسید روی (ZnO) و آندی از جنس طلا شبیه­سازی شد و بازده تبدیل توان (PCE) 2.62 درصد برای پیوند شاتکی و 7.95 درصد برای پیوند اهمی میان لایۀ نقاط کوانتومی و فلز آند به دست آمد. سپس، میزان ناخالصی لایۀ PbS با چگالی (cm-3) 1015 و 1016 و 1017 بررسی شد که بیشترین بازده به میزان 7.95 درصد با انتخاب چگالی ناخالصی cm-31016، در حالت پیوند اهمی به دست آمد. بررسی تأثیر تغییر ضخامت لایۀ نقاط کوانتومی از 50 نانومتر تا 100 نانومتر نشان داد که بهبود بازده از مقدار 2.1 درصد به 2.91 درصد در حالت پیوند شاتکی و از مقدار 7 درصد به 8.12 درصد در حالت پیوند اهمی می‌شود، که به دلیل افزایش طول ناحیۀ تهی و در نتیجه افزایش میدان در محل پیوند است. با بررسی تأثیر تغییر ضخامت لایۀ نیمه­رسانای ZnO از مقدار 70 نانومتر تا 150 نانومتر، کاهش بازده از 9.4 درصد به 6 درصد رسید که ناشی از محدودیت طول نفوذ اکسیتون­ها و جذب و بازترکیب آن­ها، پیش از رسیدن به اتصال­های فلزی آند و کاتد است. Factors affecting on heterojunction quantum dot solar cell’s efficiency includethickness of wide band transparent semiconductor and quantum dot layers, doping level of quantum dots layer and the type of metal used as anode. This paper represents a simulation of a structure consisting of a layer of short ligand coated PbS quantum dots and a layer of ZnO semiconductor and gold anode using COMSOL Multiphysics v5.4 x64. The primary model had 2.62% efficiency for a cell with a Schottky contact between anode and quantum dot layer and 7.95% efficiency for a cell with an ohmic contact. A sweep in doping level of quantum dots layer for 1015, 1016 and 1017 cm-3 led to 7%, 7.95% and 5.2% for ohmic contact and 2.6%, 2.62% and 2.2% for schottky contact, respectively. A sweep in thickness of PbS quantum dot layer from 50nm to 100nm resulted in an advance in cell’s efficiency from 2.1% to 2.91% for a cell with a schottky contact and from 7% to 8.12% for a cell with an ohmic contact, as a conclusion to increasing the depletion region’s length, hence an increase in electric field in the junction area. In addition, ZnO layer’s thickness from 70nm to 150nm showed a decrease in efficiency from 9.4% to 6% due to limitation of exciton’s diffusion length. These excitons are recombined before being harvested by anode and cathode.

Keywords

• پیوند ناهمجنس
• سلول خورشیدی
• نقاط کوانتومی
• اکسید روی
• سولفید سرب