دراسة حاسوبية لتراكيب عين العثة المضادة للانعكاس لتطبيقات الخلايا الشمسية Computational Study of Moth-Eye Anti-reflective Structures for Solar Cell Applications

ان تحسين اداء الخلايا الشمسية وتقليل تكاليف انتاجها من الموضوعات التي تحوز على اهتمام متنامي في الوقت الراهن وذلك للآمال الكبيرة المعقودة على الخلايا الشمسية كمصدر طاقة متجدد وغير ملوث للبيئة يساهم في حل مشكلة الاحتياج المتنامي للطاقة نتيجة للزيادة السكانية المضطردة وما يرافق زيادة استهلاك مصادر الطاقة الاحفورية من تلوث بيئي واحتباس حراري متزايد. تمتاز الخلايا الشمسية السليكونية من الجيل الثالث والتي يكون سمكها بضعة مايكروميترات بكونها ذات تكلفة واطئة و اكثر استدامة لكون تصنيعها يتطلب مادة اساس اقل بكثير من التي تتطلبها الخلايا السليكونية التقليدية، غير انها بذات الوقت ذات كفاءة اقل وذلك لرقة المنطقة الفعالة وطبيعة مادة السليكون الذي يقلل من امتصاص الفوتونات الساقطة.
تم تقديم دراسة حاسوبية تبحث امكانية تحسين كفاءة الخلايا الشمسية ذات الاغشية فائقة الرقة من خلال اضافة تراكيب من مادة السليكون تشابه تراكيب عين العثة بابعاد دون الطول الموجي المرئي فوق سطح الخلية السليكونية لتحسين كفاءة الخلية الشمسية قيد الدراسة، وذلك من خلال زيادة المسار البصري للفوتون الساقط وحصر الاشعة الساقطة باتجاه الخلية الشمسية وبالتالي تقليل الانعكاس زيادة الامتصاص وبالنتيجة زيادة كفاءة الخلية.
لدراسة الخواص البصرية لنموذج الخلية الشمسية المقترحة تم اعتماد طريقة العناصر المتناهية بالحيز الزمني لحل معادلات ماكسويل وايجاد الانعكاسية والامتصاصية ضمن الطيف الكهرومغناطيسي للاشعة الساقطة وبعد وضع التراكيب، بالاضافة لايجاد دالة توليد ازدواج الكترون-فجوة في المنطقة الفعالة للخلية نتيجة لامتصاص طاقة الفوتون، وتم تقديم البناء الرياضي الذي يوضح كيفية حساب الخواص البصرية والكهربائية.
تم اعتماد ثلاثة اشكال اساسية للتركيب ثنائي البعد وهي المستطيل، المثلث، شبه الدائرة، اما ابعاد منطقة الدراسة فقط تم تحديد عرضها (500nm)، اما مادة التركيب فقد كانت من نفس نوع مادة الاساس للخلية وهي السليكون وذلك لتكون مادة التركيب المضاف متجانسة مع مادة الاساس للخلية كما ان ذلك يسهل عملية التصنيع للخلية المقترحة. لكل شكل من اشكال التركيب تم تغيير الابعاد الهندسية بخطوات، لتحديد التصميم الامثل، في حالة التركيب مستطيل الشكل، تم اخيار اربعة قيم لعرض الشكل (100, (200, 300, 400nm) اما الارتفاع فقد تم زيادته بخطوات لكل حالة (50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450nm) اما في حالة مثلث الشكل، فقد تم اختيار طول القاعدة بالقيم (125, 166, 250, 500nm) اما الارتفاع لكل حالة فتم اعتماد القيم (50. 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400nm) وفي حالة شكل شبه دائري فقد تم اعتماد عرض الشكل بالقيم (264.6, 346.4, 387.3, 400nm ) اما الارتفاع في كل حالة اعتمدت القيم (50, 100, 150, 200nm).
توصلت الدراسة ان هناك تأثير كبير للابعاد لطبيعة الشكل والابعاد الهندسية له، وفي كل حالة هناك تصميم امثل يكون فيه تحسين خواص الخلية في قيمته العظمى، وكل ما تم الابتعاد عن ذلك التصميم يقل التحسين بل يصل في حالات معينة الى حالة اسوء من حالة عدم اضافة اي تركيب.
Improving the performance of solar cells and reducing their production costs are topics of growing interest at the present time, due to the great hopes placed on solar cells as a renewable, non-polluting energy source that contributes to solving the problem of the growing need for energy as a result of the steady increase in population and the accompanying increased consumption of fossil energy sources. Environmental pollution and increasing global warming. Third-generation silicon solar cells, which are a few micrometres thick, are characterized by being low-cost and more sustainable because their manufacture requires much less base material than that required by traditional silicon cells. However, at the same time, they are less efficient due to the thinness of the active area and the nature of the silicon material, which reduces the absorption of incident photons.
A computational study was presented examining the possibility of improving the efficiency of ultra-thin-film solar cells by adding structures of silicon that resemble the structures of a moth's eye, with dimensions below the wavelength visible above the surface of the silicon cell, to improve the efficiency of the solar cell under study, by increasing the optical path of the incident photon and limiting incident rays towards the solar cell, thus reducing reflection, increasing absorption and, as a result, increasing cell efficiency.
To study the optical properties of the proposed solar cell model, the time-space finite element method was adopted to solve Maxwell's equations and find the reflectivity and absorption within the electromagnetic spectrum of the incident rays and after setting the compositions, in addition to finding the function of generating an electron-gap pairing in the effective region of the cell as a result of the absorption of photon energy, and the mathematical structure was presented which explains how to calculate optical and electrical properties.
Three basic shapes were adopted for the two-dimensional composition: rectangle, triangle, and semi-circle. As for the dimensions of the study area, only its width was determined (500nm). As for the composition material, it was of the same type as the base material for the cell, which is silicon, so that the added composition material was homogeneous with the base material. For the cell, this also facilitates the manufacturing process of the proposed cell. For each form of installation, the geometric dimensions were changed in steps, to determine the optimal design. In the case of a rectangular installation, four values were chosen for the width of the shape (100, (200, 300, 400nm), while the height was increased in steps for each case (50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450nm), but in the case of a triangle shape, the length of the base was chosen with the values (125, 166, 250, 500nm). As for the height for each case, the values were adopted (50. 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400nm) In the case of a semi-circular shape, the radius of the shape was set at (50, 100, 150, 200nm).
It found that there is a significant effect of dimensions due to the nature of the shape and its geometric dimensions, and in every case there is an optimal design in which the improvement of the cell properties is at its greatest value, and whenever one moves away from that design, the improvement decreases and even reaches, in certain cases, a condition worse than the case of not adding any stratures.