Light management in solar cells with planar structures and scattering media

Fotovoltaik tarihteki en düşük verim/maliyet oranına ulaşarak artık sadece gelişmiş değil gelişmekte olan ülkelerin de yoğun ilgisini çekmektedir. Daha üstün güneş hücrelerinin geliştirilmesi için güneşten gelen ışığın tamamına yakınının hücre tarafında kullanılması gerekmektedir. Bunu yaparken ise güneş hücrelerinin çoklu fizik yaklaşımlarına ihtiyaç duyduğu ve rekabetçi fiyatını korumak için üretim kısıtlamalarının bulunduğu göz önünde bulundurulmalıdır. Bu doğrultuda, bu tezde güneş hücrelerindeki verimi artırmak için ışık yönetim stratejileri incelenmiştir. İlk olarak ince-film güneş hücrelerinde, ışık yönetimi; yansımayı engellemek ve aynı zamanda yansıma yapmayan ışığın aktif katmanda hapsolmasını sağlamak için kullanılmıştır. Optik benzetim metodları; taşıma matris yöntemi (TMM), zaman-uzayı sonlu-farklar yaklaşımı (FDTD), ve ışın izleme ile analitik yöntemler kullanılarak, optik soğurmayı ideal ve gerçekçi koşullar altında geliştirmek için malzemeden bağımsız optik optimizasyon ilkeleri verilmiştir. Basit ama etkili, ampirik algoritmalar benzetimlerin yerini almak üzere geliştirilmiştir. Bu geliştirilen algoritmalar perovskit, organik ve CdTe ince-film güneş hücrelerine uygulanmıştır. Öte yandan geçirgen iletken oksitlerin ince-film güneş hücrelerindeki optoelektronik etkileri incelenmiştir. Optoelektronik özelliklerin hücre geometrisi üzerindeki etkisinin optimizasyonu yapılarak, perovskit güneş hücrelerinde aynı anda verim artışı elde etmek ve üretim maliyetini düşürmek için bir yol haritası verilmiştir. İkinci olarak, silisyum güneş hücrelerinde parazit soğurmayı engellemek için düşük maliyetli bir arka yüzey yansıtıcı katmanı gösterilmiştir. Optik etkileşimler üç farklı algoritmanın; TMM, FDTD ve ışın takibinin bir birleşimi kullanılarak hesaplanmıştır. Son olarak, ince-film ve silisyum güneş hücrelerinin birleşimi kullanılarak CdZnTe/Si tandem güneş hücrelerinin detaylı bir incelemesi verilmiştir. Optik ve elektronik benzetim yöntemlerinin bir birleşimi kullanılarak CdZnTe-Si tandem güneş hücrelerinin teorik limitleri verilmiştir. Bu tezde verilen ışık yönetim stratejileri ve analitk hesaplamalar farklı güneş hücreleri üzerinde çalışan araştırmacılara optik alanındaki deneyimlerinden bağımsız olarak daha verimleri güneş hücreleri tasarlamak için yol gösterici olacaktır.