Solar Cells Efficiency Improvement Using Optical Nanostructures Coating Layers

الهدف من وراء هذه الدراسة هو تحسين كفاءة الخلايا الشمسية عند تحويل الطاقة الشمسية الضوئية إلى طاقة كهربائية. حيث أن إحدى الأسباب التي تؤدي الي قله كفاءة الخلايا الشمسية هي قدرتها على امتصاص الفوتونات ذات الأشعة المرئية الساقطة من أشعة الشمس بينما باقي الأطياف الموجية تعتبر مفقودة. أيضا، الموجات المرئية تمثل فقط 49 في المئة من الطاقة الناتجة من أشعة الشمس، أما باقي النسب فتتمثل في طاقة الأشعة الفوق بنفسجية أو الأشعة التحت حمراء. إن المواد المحولة للطاقة تعتبر من أفضل الطرق لاستغلال الطاقة الغير ممتصة من أشعة الشمس وتحويلها إلى الأشعة المرئية الممتصة من قبل الخلايا الشمسية. إحدى أفضل المواد المحولة للطاقة الضوئية هي مادة اللاربيوم خصيصا إذا كانت مضافة بداخل مواد مستضيفة للاربيوم. يعتبر كل من الصوديوم ايتريومفلوريد وأكسيد السيريوم (السيريا) من أفضل المواد المستضيفة للاربيوم التي أثمرت في الحصول على أفضل كفاءة في التحويل الضوئي للطاقة بفضل انخفاض طاقة الذبذبات بداخل الصوديوم الايتريوم فلوريد، فأنها اعتبرت من أكثر المواد كفاءة في تحويل الطاقة الضوئية بعد ادراج ايونات الاربيوم بداخلها. أما بالنسبة إلى مادة السريا المضاف اليها الاربيوم فهي تمتلك خاصية تحويل الطاقة الضوئية عن طريق تقليل أو زيادة طاقة الفوتونات لتتحول إلى طاقة ذات طيف ضوئي مرئي. هذا بفضل وجود أيونات السريا التي تؤدي الي تقلقل طاقة الفوتونات الفوق بنفسجية إلى فوتونات ذات الطيف المرئي، أما ايونات الاربيوم فتعمل على تحويل طاقة فوتونات الاشعة تحت حمراء إلى مرئية، وبالتالي فان اضافه هذه المواد إلى سطح الخلايا الشمسية سوف يعمل علي تحسين كفاءتها وذلك بفضل طاقة الاشعة المرئية الناتجة عن عمليات تحويل الطاقة.

In this study, the main target is to improve optically solar cells power conversion efficiency. One of the efficiency reduction reasons solar cells are able to absorb only visible wavelengths and convert it into the required electrical output power, while the rest solar irradiance energies are considered as losses. Furthermore, about 49 percent only of the incident solar irradiance are visible wavelength while the rest of the irradiance energies are infra-red (IR) or ultraviolet (UV) photons. Optical conversion materials are considered as the best ways to exploit this un-absorbed bands within the radiant solar energy and convert it into visible absorbed ones using up or down conversion materials. Rare earth trivalent erbium (Er3+) material is one of the best efficient up conversion materials specially after doping it in a host crystal. Sodium yttrium fluoride (β-NaYF4) and cerium oxide nanoparticles are considered as the best studied Er3+ host crystal materials. NaYF4 host materials have low vibrational energy that leads to achieve high up conversion efficiency after doping erbium ions inside it. Meanwhile, ceria nanoparticles doped with erbium have the advantages of being both up/down optical conversion of solar cells. The existence of Ce3+ ions in side ceria nanoparticles help in the down-conversion from UV excitation to visible emission, while erbium dopant forms energy levels inside the low-phonon ceria host to up-convert IR excitations into green and red emissions. When coating erbium-doped ceria nanoparticlesorNaYF4 on the back side of a solar cell, a promising improvement in the solar cell efficiency might be happen because of the visible photon energies resulted from the optical conversion processes.