ساخت و بررسی پروفایل ضریب شکست موثر بهینه نانو سیم های سیلیکونی جهت بهبود کارایی سلول های خورشیدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

گروه مهندسی مکانیک،دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران

چکیده

در ساختار سلول خورشیدی، لایه های نازک سیلیکونی به صورت ساختار نانوسیم در دولایه پایه اصلی قرار دارند. این لایه‌های نانوساختار باعث افزایش جذب نور در سلول های خورشیدی می‌شوند و انرژی نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. پروفایل ضریب شکست موثر نانوسیم‌های سیلیکونی به عنوان یک ویژگی مهم در سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شود که می‌تواند به طور قابل توجهی تغییر کند. تغییرات پروفایل ضریب شکست موثر ممکن است به دلیل تغییر در ساختار نانوساختار، اندازه، شکل و همچنین تغییر در تراکم ذرات نانوسیم‌های سیلیکونی باشد که منجر به بهبود یا کاهش جذب نور و عملکرد سلول خورشیدی شود. در این تحقیق، اندازه، شکل و ترکم نانوسیم‌های سیلیکونی در زمان‌های متفاوت و با استفاده از کاتالیست طلا‌ و روش های لایه نشانی بخار شیمیایی و تکنیک بخار-مایع-جامد (VLS) سنتز و کنترل شدند. خواص ساختاری نانوسیم‌های سلیکونی سنتز شده، توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، پراش پرتو ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) مشخصه‌یابی شدند. تغییرات ضریب شکست موثر بهینه بر اساس طول و تراکم نانوسیم‌های سیلیکونی کنترل شده، بررسی شد. نتایج نشان می‌دهد که بیشترین بازده و جذب سلول خورشیدی در طول mμ 2 و نسبت تراکم 36% نانوسیم‌های سیلیکونی اتفاق می‌افتد. بازده سلول خورشیدی در این شرایط برابر با 6/9% ، ضریب پرشدگی 66.4% ، چگالی جریان اتصال کوتاه در این نمونه mA.cm-253/28 و ولتاژ mV520 بدست آمده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Fabrication and Investigation of Optimal Refractive Index Profile of Silicon Nanowires to Improve the Efficiency of Solar Cells

نویسنده [English]

  • Hamid Mozafari
Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Payame Noor University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In the structure of the solar cell, thin silicon layers are located in the main bilayer in the form of a nanowire structure. These nanostructures enhance light absorption and convert it into electrical energy. The effective refractive index profile of silicon nanowires is used as an important property in solar cells, which can be significantly changed. These changes may be due to the change in the structure of the nanostructure, size, shape, as well as the change in the concentration of silicon nanowire particles, which leads to the improvement or reduction of light absorption and solar cell performance. In this research, the size, shape and concentration of silicon nanowires were synthesized and controlled at different times using gold catalyst and chemical vapor deposition and vapor-liquid-solid (VLS) techniques. The structural properties of the synthesized silicon nanowires were characterized by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). The optimal effective refractive index was found to be dependent on the length and density of the nanowires. The results show that the maximum efficiency and absorption of the solar cell occurs in the length of 2 mμ and the density ratio of 36% of silicon nanowires. The efficiency of the solar cell in this condition is equal to 9.6%, the filling factor is 66.4%, the short circuit current density in this sample is 28.253 mA.cm-2 and the voltage is 520 mV.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Solar Cell
  • Effective Refractive Index
  • Nanowire
  • Filling Factor
[1] P. K. Nayak, S. Mahesh, H. J. Snaith, D. Cahen, “Photovoltaic solar cell technologies: analyzing the state of the art,” Nature Review Materials, 2019,.4, 269–285.
[2] A. Lenert, D. M. Bierman, Y. Nam, W. R. Chan, I. Celanovic, M. Soljacic, E. N. Wang, “A nano-photonic solar thermo-photovoltaic device,” Nature nanotechnology, 2014,9, 2, 126-130.
[3] S. Lattante, “Electron and hole transport layers: their use in inverted bulk heterojunction polymer solar cells,” Electronics, 2014,3, 132-164.
[4] H. T. Chien, “Effects of hole-transport layer homogeneity in organic solar cells: a multi-length scale study,” Surfaces and Interfaces, 2017,6, 72-80.
 [5] F. Taghian, V. Ahmadi, L. Yousefi, “Enhanced thin solar cells using optical nano-antenna induced hybrid plasmonic travelling-wave,” Journal of Light Wave Technology, 2016,34, 1267-1273.
[6] D. M. Nguyen, D. Lee, J. Rho, “Control of light absorbance using plasmonic grating based perfect absorber at visible and near-infrared wavelengths,” Scientific Reports, 2017,7, 2611-2618.
[7] M. Yuan, M. Liu, E. H. Sargent, “Colloidal quantum dot solids for solution-processed solar cells,” Nature Energy,‌ 2016,1, 16016-16022.
[8] Y. A. Akimov, W. S. Koh, S. Y. Sian, S. Ren, “Nanoparticle-enhanced thin film solar cells: metallic or dielectric nanoparticle,” Applied Physics Letters, 2010,96, 73111-73118.
[9] J. Jang, M. Kim, Y. Kim, K. Kim, S. J. Baik, H. Lee, J. C. Lee, “Three dimensional a thin-film solar cells with silver nano-rod back electrodes,” Current Applied Physics, 2014,14, 637–640,‌.
[10] P. Nasehi, B. Mahmoudi, S. F. Abbaspour, M. S. Moghaddam, “Cadmium adsorption using novel MnFe2O4-TiO2-UIO-66 magnetic nanoparticles and condition optimization using a response surface methodology,” Royal Society of Chemistry Advances, 2019,9, 20087–20099.
[11] S. Liu, R. Jiang, P. You, X. Zhu, J. Wang, F. Yan, “Au/Ag core–shell nano-cuboids for high-efficiency organic solar cells with broadband plasmonic enhancement,‌” Energy & Environmental Science. 2016,9, 898-905‌.
[12] Y. Di, T. Qin, “Plasmonic ZrN/TiO2 core-shell nanostructure enhancing photovoltaic performance of dye-sensitized solar cells,” Optical Materials, 132, 112813-112819, 2022.
[13] N. Rajamanickam, K. Ramachandran, “Empowering dye-sensitized solar cells with Cr-doped SrTiO3 nano system: a promising approach to tackle carrier leakage and boost efficiency,” Optical Materials, 2023, 138, 113730-113736,.
[14] H. Latif, S. H. Raza, A. W. Muggo, M. S. Rafique,  “A novel SiO2–ZnS-Am-TiO2/PbS–CdS/ZnO-NRs/FTO photo-anode based quantum dots sensitized solar cell,” Optical Materials, 2023,142, 113982-113988,.
 [15] H. Yan, M. Chen, W. Liu, “Ti3C2 MXene quantum dots decorated mesoporous TiO2/Nb2O5 functional photoanode for dye-sensitized solar cells,” Optical Materials, 2023,140, 113902-113908.
[16] A.‌Hayati, H. Hamidinezhad, “Synthesis and structural properties of silicon nanoparticles derived from nanoparticles in a vapor-liquid-solid mechanism,” Nanomeghyas, 7, 55-59, 2020.
[17] L.‌T. Cong, N. T. N. Lam, D. V. Thuong, “Decisive role of dopants in the optical properties of vertically aligned silicon nanowires prepared by metal-assist chemical etching,” Optical Materials, 121, 111632-111639, 2021.
[18] M. Bacha, A. Saadoune, I. Yousef ,O. Terghini, “Design and numerical investigation of Perovskite/Silicon tandem solar cell,” Optical Materials, 2022,131, 112671-112678.
 [19] H. Hamidinezhad, H. Mozafari, R. S. Naseri,‌“Study of grass shoot-shape silicon nanowires grown by thermal chemical vapor deposition,” Silicon, 2022,14, 177–182.
[20] J. L. Zang, Y. P. Zhao, “Silicon nanowire reinforced by single-walled carbon nanotube and its applications to anti-pulverization electrode in lithium ion battery,” Composites Part B: Engineering, 2012,43, 76-82,.
[21] S, K. Saini, R. V. Nair, “‌Probing the optimal refractive index profile of disordered silicon nanowires for photon management applications,” Optical Materials, 2020,109, 110241-110247.
[22] L. A. Woldering, R. W. Tjerkstra, H. V. Jansen, I. D. Setija, W. L. Vos, “Periodic arrays of deep nanopores made in silicon with reactive ion etching and deep UV lithography,” Nanotechnology, 2008,19, 145304-145309.
[23] B. Fodor, T. Defforge, E. Agocs, M. Fried, G. Gautier, P. Petrik, “Spectroscopic ellipsometry of columnar porous Si thin films and Si nanowires,” Applied Surface Science,‌ 2017,421, 397-404.
[24] W. H. Southwell, “Gradient-index antireflection coatings,” Optics Letter, 1983,8, 584-589,.
[25] T. H. Pei, S. Thiyagu, Z. Pei, “Ultra high-density silicon nanowires for extremely low reflection invisible regime,” Applied Physics Letter, 2011, 99, 153108-153112,.