Quyosh elementlarining optik xususiyatlarini yaxshilash usullari

Ushbu maqolada, quyosh elementlarini optik xususiyatlarini optimallashtirish uchun qo’llaniladigan texnik yechimlarning nazariy asoslari berilgan.

Kalit so’zlar: antireflektiv qatlam, quyosh elementi, tekstura, C#, kompleks nur sindirish ko’rsatkichi.

В статье приводятся теоретические основы технических решений, используемых для оптимизации оптических свойств солнечных элементов.

Ключевые слова: антиотражательное покрытие, солнечная батарея, текстура, C#, комплексный показатель преломления света.

Qayta tiklanuvchi energiya manbaalaridan energiya olish jahon talabiga aylandi. Insoniyat kelajagi qayta tiklanuvchi energiya manbaalariga bog’liq, chunki qayta tiklanmaydigan energiya manbaalari agar insoniyat shu tarzda foydalanishda davom etsa yer yuzida 2081-yilga kelib butkul tugaydi. Qayta tiklanuvchi energiya manbaalari orasidan eng keng foydalanilayotgani — quyosh elementidir. Ya’ni quyosh energiyasini elektr energiyasiga aylantirish biz uchun arzon hamda qulay.

Bugungi kunga kelib juda ko’p turdagi quyosh elementlari ixtro qilindi. Kremniy asosli, perovskite, organik va hokazo. Bularning orasidan keng miqyosda ishlab chiqarilayotgani –kremniy asosli quyosh elementi. Chunki, kremniy elementi yer yuzida eng keng tarqalgan hamda arzon hom ashyodir. Bundan tashqari, ishlab chiqarish texnologiyasi ham arzon. Lekin foydali ish koeffitsienti ishlab chiqarishda 19.6 % ni tashkil etmoqda. Boshqa turdagi quyosh elementlarining laboratoriya sharoitida foydali ish koeffitsienti 20–40 %atrofida ammo tannarx jihatidan juda ham qimmat. Bu esa keng miqyosda ishlab chiqarish uchun tadbiq qilishga to’sqinlik qilmoqda. Shuni takidlashimiz joizki, qilinayotgan ixtirolar eng avvalo jamiyat uchun foydali bo’lmog’i zarur. Demak biz asosan tannarxi arzon va keng tarqalgan moddalardan tarkib topgan quyosh elementlarini loyihalashimiz kerak.

Quyosh elementlarini foydali ish koeffitsientini oshirish uchun eng keng tarqalgan uslubi optik xususiyatlarini yaxshilash ya’ni yutilish koeffitsientini oshirishdir.

Biz bilamiz yarimo’tkazgichlarning optik xususiyatlari yorug’lik to’lqin uzunligiga kuchli bog’liq. Kremniyni kompleks nur sindirish ko’rsatkichining to’lqin uzunligiga bog’liqligi 1-grafikda tasvirlangan. Bunga ko’ra biz kremniy asosli quyosh elementining qaytarish koeffitsientini nur normal tushayotgandagi holati uchun frenel formulasidan foydalanib to’lqin uzunligiga bog’liqligini topa olamiz. Buni 2-grafikda kremniy asosli quyosh elementining qaytish, yutilish va o’tish koeffitsientlarini to’lqin uzunligiga bog’liqligi tasvirlangan va bundan uning qaytarish koeffitsienti o’rtacha 29 % ekanligini ko’rishimiz mumkin.

Grafik -2: Oddiy kremniy asosli quyosh elementining qaytarish, yutilish va o’tish koeffitsientlarini yorug’lik to’lqin uzunligiga bog’liqligi.

Qaytib ketayotgan nur miqdorini kamaytirish uchun quyosh elementlarining ustiga antireflektiv qalam qoplanadi. Antireflektiv qatlam sifatida MgF₂, TiO₂ va SiO₂ keng qo’llaniladi [3]. Masalan, 75 nm qalinlikdagi AlSi bilan qoplangan kremniy asosli quyosh elementining qaytarish, yutilish va o’tish koeffitsientlarini yorug’likning to’lqin uzunligiga bog’liqligi 2-grafikda tasvirlangan. Bunga ko’ra, o’rtacha yutulish koeffitsienti 10 % ga ortib, o’rtacha qaytish koeffitsienti 10 % ga kamayganini ko’rishimiz mumkin. Bu oddiy kremniy asosli quyosh elementining foydali ish koeffitsientini 1.1 barobar oshishini anglatadi. Bunga sabab, antireflektiv qatlamning nur sindirish ko’rsatkichini qiymati havo bilan kremniyning nur sindirish ko’rsatkichlari qiymatlari orasidaligida, hamda uning kompleks nur sindirish ko’rsatkichining mavhum qismi taqriban nol ekanligidir. Agar bir dona emas bir nechta antireflektiv qatlam bilan qoplamoqchi bo’lsak, u holda m — o’rinda turgan antireflektiv qatlamning nur sindirish ko’rsatkichi 1-formuladagi kabi topiladi [1].

(1)

Bu yerda:

n_m — m-antireflektiv qatlamning nur sindirish ko’rsatkichi

n_sup — eng yuqoridagi qatlamning nur sindirish ko’rsatkichi

n_sub — asosning nur sindirish ko’rsatkichi.

M — qatlamlar soni

m — biz izlayotgan qatlam tartib raqami.

Grafik-3: 75 nm qalinlikdagi MgF2 bilan qoplangan kremniy asosli quyosh elementining yutilish, qaytish va o’tish koeffitsientlarini to’lqin uzunligiga bog’liqligi

Qaytib ketayotgan nurlar miqdorini kamaytirishning yana bir uslubi, quyosh elementining yuzasida piramidalarni hosil qilishdir. Tekis yuzaga tushgan nur faqat bir marotaba sinadi. Bu esa nurni kamroq yutilishiga sabab bo’ladi. Agar yuzani tekstura ya’ni piramidalar bilan qoplasak yuzada nurni ko’proq marotaba sinishiga erishamiz. Buni 1-rasmdan ko’rishimiz mumkin. Hosil qilinayotgan piramidalarning asosidagi burchagiga qarab tushayotgan nurning necha marotaba sinishini aniqlay olamiz. Va bu orqali quyosh elementini aynan qanday piramidalar bilan qoplanish kerakligini bila olamiz. Agar piramidalar orasida nur to’rt marotaba sinyapti deb tasavvur qilsak har bir sinish burchaklari va piramida asosidagi burcha orasidagi bog’lanish 2-formulada keltirilgan. Bunga ko’ra piramida asosidagi burchak qanday oraliqda bo’lishi kerakligini aniqlay olamiz. Demak piramidalarning asosidagi burchak 64.3<α<80 oralig’ida bo’lishi kerak.

Rasm-1: Ikki piramida orasida nurlarning qaytishi

(2)

Bu yerda α — piramida asosidagi burchak.

(3)

Bu yerda h — piramida balandligi, d — piramida asosining kengligi.

Agar har bir sinishda qaytarish koeffitsientlarini piramida asosidagi burchakka bog’liq funksiya desak, u holda umumiy qaytarish koeffitsienti 4-formulada keltirilganidek har bir sinishdagi qaytish koeffitsientlari ko’paytmasiga teng.

(4)

(5)

Umumiy qaytish koeffitsienti piramida asosidagi burchagining funksiyasi ekanligini hisobga olsak, u holda bu funksiyani piramida asosidagi burchak bo’yicha hosila olib nolga tenglasak u holda, funksiyaning ekstremum nuqtasini topa olamiz.

(6)

Yuqoridagi 6-tenglamani analitik hisoblashni imkoni bo’lmagani uchun, sonli uslubda hisoblash uchun C# 6.0 dasturlash tilida dastur tuzdik va u yordamida piramida asosidagi burchak α=73.12⁰ bo’lishi kerakligi ma’lum bo’ldi. Yuqorida xisoblangan natijalarning barchasi perpendikulyar qutblangan yorug’lik uchundir. Agar biz parallel qutblangan nurdan foydalanmoqchi bo’lsak, u holda ham olingan piramida asosidagi burchakning qiymati o’zgarmas bo’lib qolaveradi. Demak, quyosh elementlarini optik xususiyatlarini yaxshilash uchun qilinayotgan ishlar barchasini klassik fizika nazariyalari bilan tushuntura olamiz. Bu esa bizga yangi texnik yechimlarni o’ylab topishimizga yordam beradi.

Adabiyot:

1. Sarry Al-turk, “Analitic optimization modeling of antireflection coatings for solar cell”, Hamilton, Ontario, Canada, 2011.
2. Pedrotti, F.L. and L. S. Pedrotti, Introduction to optics., 2nd ed. (Pearson Prentice Hall, 1993).
3. D. Bouhafs et al. Design and simulation of antireflection coating systems for optoelectronic devices: Application to silicon solar cells. Solar Energy Mater. Solar Cells 52(1–2) (1998).