Design and simulation of single, double, and multi-layer antireflection coating for crystalline silicon solar cell

Abstract

Güneş hücrelerinin yüzeylerine gelen fotonların bir kısmı dalga boylarına göre yansır, bir kısmı emilir veya hücre içerisinden emilemeden geçerler. Yansıyan ve soğurulamayan fotonlar optiksel kayıp olarak sonuçlanacaktır. Dolayısıyla taşıyıcı oluşumuna katkı sağlayamadıkları için hücre veriminin düşmesine neden olmaktadırlar. Bu nedenle, güneş hücrelerinde hücre yüzeyine gelen fotonların maksimum seviyede soğurulması ve bu sayede taşıyıcı oluşumuna katkı sağlayarak yüksek verim elde edilebilmesi için çok önemlidir. Yansımayı önleyici yöntemlerden bazıları standart olarak kullanılan yüzey pürüzleştirme ve yansımayı önleyici ince film uygulamalarıdır. Özellikle yansımayı önleyici ince filmler kullanılarak optiksel soğurmayı arttırarak yansımayı önlemek ve hücre verimini arttırmak yüksek verimlere ulaşabilmek için son derece gereklidir. Yüksek verimli hücreler için en uygun malzemenin ve parametrelerin belirlenmesi ve bu tür ince filmlerin güneş hücrelerine uygulanmasını simülasyon çalışmalarıyla ortaya koyabilmek önemlidir. Bu çalışmada kristal silisyum güneş hücreleri için yansımayı önleyici tabakaların çalışma prensipleri, matematiksel olarak parametrelerinin belirlenmesi ve simülasyon çalışmaları farklı yöntemler kullanılarak hesaplanmış ve deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Tek, çift ve çok katmanlı yansımayı önleyici ince filmler için matematiksel çalışmalar MATLAB programı ile her yöntem için ayrı ayrı ele alınmış ve deneysel ölçümlerle karşılaştırılarak doğrulukları teyit edilmiştir. Ayrıca, PC1D simülasyon programı yardımıyla matematiksel olarak belirlenmiş optimal değerlerle güneş hücreleri simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Efficient absorption of light into the device is of utmost importance in the design of an efficient solar cells. A portion of incident light is reflected due to inherent reflectance of the materials used in fabricating the solar cell. These reflections can significantly reduce the generation of charge carriers which results to lower efficiency. One of the most important technique that became an integral part of modern solar cells today in order achieve maximum efficiency is the antireflection coating layer. Antireflection coating is a thin layer of dielectric material deposited on the silicon substrate in order to reduce the optical losses due to reflection and increase the transmittance of light, thus improving the solar cell's overall efficiency. An accurate computer simulation based on fundamentals of light and thin films are needed in order to select the best design of antireflection coating layers for the optimum performance of the solar cell. This study aims to understand the fundamental working principles and the mathematical equations of thin films that are used as antireflection coatings on crystalline silicon solar cells. Mathematical equations for single, dual and multi-layered ARC are presented and simulated with the use of MATLAB. Various experimental measurements were used to validate the accuracy of the mathematical equations that are used in this study. In addition, PC1D simulations are also used for validating the reflectance spectra and measuring the performance of solar cells with different combinations of antireflection coating.