محاكاة بصرية ثلاثية الأبعاد لدراسة تأثير طوبوغرافيا السطح على الخواص البصرية للخلية الشمسية باستخدام طريقة FDTD

الباحث

صبا فالح مهدي

المشرف

أ.م.د. خالدة حسين حبيب

الجامعة

جامعة الكوفة

الكلية / القسم

التربية للبنات / الفيزياء

الشهادة

ماجستير

السنة

2022

لغة الرسالة

عربي

الكلمات المفتاحية

الخلية الشمسية;طريقة FDTD;طوبوغرافيا السطح;الخواص البصرية

تم في هذا البحث تصميم ودراسة الخواص البصرية لثلاثة نماذج لخلايا شمسية بسيطة اعتمادا على شكل سطح مادة الكادميوم تيلوريد (CdTe) كمادة Aled لامتصاص الضوء, باستخدام طريقة الفروقات المحدودة في المجال الزمني (Finite difference time domain method) (FDTD) والتي تعتمد على حل معادلات ماكسويل التفاضلية في المجال الزمني , ويتم اشتقاق هذه المعادلات بالشكل الخطي بواسطة طريقة الفروقات المركزية المحدودة (Finite difference method) وتعد طريقة الفروقات المحدودة في المجال الزمني (FDTD) من أفضل الطرائق لدراسة وتحليل انتشار الموجات الكهرومغناطيسية ضمن بنية الأجهزة الضوئية . تمت دراسة الخواص البصرية لتراكيب أغشية وأعمدة نانوية وتراكيب هرمية مثلثة لمادة تيلوريد الكادميوم (CdTe) وكذلك أغشية كبريتيد الكادميوم (CdS) المرسبة على ركيزة الزجاج ولقيم سمك مختلفة لدراسة تأثير السمك على الخواص البصرية لها. تم اختيار وبناء هياكل تيلوريد الكادميوم (CdTe) ثلاثية الأبعاد بسمك ١,١( و ٠,5 و ١,١ و Vee و 0.3 و 0.5) مايكرومتر (jum) وأغشية مادة كبريتيد الكادميوم (CdS) بسمك ١,١( و ٠," و ",ه و ٠.5 و 650( مايكرومتر فوق Bale السليكا (910) العازلة بسمك ٠١,١ مايكرومتر لمحاكاة الهياكل المحضرة, فقد تمت دراسة الامتصاصية والانعكاسية والنفاذزية لمدى طول موجي يتراوح من 300-8٠١ نانومتر(01). وقد أوضحت نتائج المحاكاة ان قيم الامتصاصية تزداد مع زيادة سمك الغشاء المستوي وارتفاع الهياكل العمودية والمثلثة. واظهرت نتائج المحاكاة التراكيب الهرمية ذات الأخاديد المثلثة لطبقة تيلوريد الكادميوم (CdTe) خواصا بصرية جيدة في المناطق المرئية وفوق البنفسجية عن طريق تقليل الانعكاسية للأشعة الساقطة، وزيادة طول المسار البصري للأشعة، ومن ab زيادة فرصة امتصاص الفوتونات داخل المادة. ويعد السمك ١,٠ مايكرومتر السمك الامثل كمادة شبه موصلة فعالة ماصة للضوء تستخدم في تصميم وانتاج اجهزة كهروضوئية تستند على مادة تيلوريد الكادميوم (CdTe) كمواد منخفضة التكلفة وذات كفاءه عالية. كما بينت النتائج أنّ ad النفاذية لكبريتيد الكادميوم (CdS) ذو السمك )+ مايكرومتر تكون عالية في المدى المرئي و المنطقة فوق البنفسجية وخاصة عند الاطوال الموجية الاكبر من 500 نانومتر مما يدل أنّ الأغشية التي سمكها اقل من ٠," مايكرومتر عند الطول الموجي المرئي تكون شفافة وعند زيادة السمك تنخفض النفاذية بشكل واسع بسبب زيادة قيم الامتصاصية, أما قيم سمك الأغشية التي تزداد عندها الانعكاسية عند الاطوال الموجية التي لها طاقة منخفضة يمكن أنْ يستفاد منه كطلاء مضاد للانعكاس الضوء.

In this research, the optical properties of three models of simple solar cells were designed and studied depending on the shape of the surface of cadmium telluride (CdTe) as an effective material for the absorption of light, using the finite difference time domain method, which is based on solving Maxwell's differential equations in the time domain. These equations are derived in a linear form by the finite difference method. The Finite Difference Time Domain (FDTD) method is one of the best methods for studying and analyzing the propagation of electromagnetic waves within the structure of photovoltaic devices. The optical properties of film structures, nanorod and triangular hierarchical structures of cadmium telluride (CdTe), as well as cadmium sulfide (CdS) thin films on glass substrate with different thickness values were first studied to study thickness effect on their optical properties. Three-dimensional cadmite telluride (CdTe) structures with a thickness of (0.1, 0.5, 1.0, and 2.0) μm and cadmium sulfide (CdS) films with a thickness of (0.1, 0.2, 0.3, 0.4, and 0.5) μm on the top of the insulating material silica (SiO2) with a thickness of 10.0 μm were selected and built to simulate the prepared structures, and the absorption, reflectance, and transmittance of a wavelength range of 800-300 nm (nm) were studied. The simulation results showed that absorption values increased with increasing plane film thickness and the vertical and triangular structures’ heights. The simulation results showed that the heretical structures with triangular grooves of cadmium telluride (CdTe) layer showed good optical properties in the visible and ultraviolet regions by reducing the reflectivity of the incident rays and increasing the optical path length of the rays, thus, increasing the chance of photon absorption within the material. The thickness of 1.0 μm is the optimal thickness for an effective semiconductor material to absorb light in the design and production of photovoltaic devices based on cadmium telluride (CdTe), a low-cost and highly efficient material. The results also showed that for cadmium sulfide (CdS) the transmittance values with a thickness of 0.1 μm are high in the visible range and the ultraviolet region, especially at wavelengths greater than 500 nm, which indicates that films less than 0.3 μm thick at the visible wavelength are transparent and when the thickness increases, the transmittance decreases widely due to increased absorption values. The thickness values of the films at which the reflectivity increases at wavelengths that have low energy can be used as an anti-reflection coating. Depending on the obtained results, the solar cells were designed in three form: the first is a flat cell based on flat cadmium telluride films, the second is a solar cell with nanoscale column structures separated by rectangular grooves, the third model is a solar cell consisting of pyramidal structures with triangular grooves, and then the effect of the shape and roughness of the surface of the light absorbing material on the optical properties of the three proposed models of solar cells was studied. The results of the FDTD simulation showed that the cells based on pyramidal structures with triangular grooves showed a higher absorption spectrum than other models as a result of the decrease in the amount of light reflected from the film surface due to increasing surface roughness, which contributed to increasing the efficiency of the cell to absorb photons. The rough surface with triangular inclined grooves helps to arise various phenomena, the most important of which is the trapping of the incident light (Light Trapping) on the surface, trapping it and directing the wave, which leads to reducing surface reflections and increasing light absorption, The cross section of the light intensity distribution within the cadmium telluride (CdTe) structures showed that these grooves helped through light redirection and internal reflections to support the properties of light scattering and improve its trapping and thus increase the length of the optical path length and improve light absorption and transmission, this reduces the reflection and transmittance of light. We believe that these theoretical results using the finite difference time domain method can provide useful guidance in the design and construction of future photovoltaic devices based on the optimal absorption of light by studying the improvement of the light properties of the proposed structures, which can save effort and cost when building the device for applied applications. scattering and improve its trapping and thus increase the length of the optical path length and improve light absorption and transmission, this reduces the reflection and transmittance of light. We believe that these theoretical results using the finite difference time domain method can provide useful guidance in the design and construction of future photovoltaic devices based on the optimal absorption of light by studying the improvement of the light properties of the proposed structures, which can save effort and cost when building the device for applied applications.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب