دانلود پایان نامه ارشد :بررسی سطح مقطع پراکندگی و جذب سلولهای خورشیدی |
3-3-1 نظریه اولیه پوشش ضد بازتاب………………………………………………………………………………….. 37
3-3-2 بهینه سازی پوشش های ضد بازتاب……………………………………………………………………….. 39
عنوان صفحه
3-3-3 نتایج بهینه سازی………………………………………………………………………………………. 42
3-4- پلاسمون های سطحی………………………………………………………………………………………. 44
3-4-1 جذب و پرکندگی از نانو ذرات کروی………………………………………………………………………… 47
فصل چهارم: تاثیر نانوذرات نقره در جذب و پراکندگی نور توسط سلول خورشیدی
4-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………….. 50
4-2- سیلیکون……………………………………………………………………………………………………… 51
4-2-1 سیلیکون کریستالی……………………………………………………………………….. 52
4-2-1-1 بازدهی جذب و پراکندگی نانوذرات نقره در سیلیکون کریستالی…………………. 53
4-2-2 سیلیکون آمورفی………………………………………………………………………………… 55
4-2-2-1 بازدهی جذب و پراکندگی نانوذرات نقره در سیلیکون آمورفی…………………….. 55
4-2-3 سیلیکون چندکریستالی…………………………………………………………………… 57
4-2-3-1 بازدهی جذب و پراکندگی نانوذرات نقره در سیلیکون چند کریستالی………… 57
4-3- کادمیوم تلوراید……………………………………………………………………………………… 59
4-3-1 بازدهی جذب و پراکندگی نانوذرات نقره در کادمیوم تلوراید:…………………………………. 60
4-4- گالیوم آرسناید و آلومینیوم گالیوم آرسناید…………………………………………………… 62
4-4-1 ساختار نوارها و چگالی موثر حالتها…………………………………………………….. 63
4-4-2 ضرایب جذب و بازتاب………………………………………………………………………. 64
4-4-3 بازدهی جذب و پراکندگی نانوذرات نقره در گالیوم آرسناید…………………………………… 66
4-4-4 بازدهی جذب و پراکندگی نانوذرات نقره در آلومینیوم گالیوم آرسناید 68
4-4-5 بازدهی جذب و پراکندگی نانوذرات نقره در آلومینیوم گالیوم آرسناید 69
4-5- بازدهی جذب و پراکندگی نانوذرات نقره در گالیوم فسفات………………………………. 71
4-6- ایندیوم فسفات…………………………………………………………………………….. 73
4-7- نانوذرات آلاییده شده در ………………………………………………………………………………………. 73
4-8- بخش موهومی ضریب شکست معادل نانوذره در محیطهای مختلف………………… 74
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات…………………………………………………………….. 77
مراجع…………………………………………………………………………………….. 79
1مقدمه:
به دلیل افزایش جمعیت و بالارفتن مصرف انرژی در کشورهای درحال توسعه پیشبینی میشود تا سال 2030 سوختهای فسیلی دیگر جوابگوی نیازهای بشر نخواهند بود و جهان با بحران کمبود انرژی روبرو خواهد شد و برای حل این مشکل باید به سراغ منابع دیگر انرژی رفت. تلاش برای جایگزینی سوختهای فسیلی با سوختهای تجدید پذیر و پاک از نیمه دوم قرن 21 به صورت جدی آغاز شده و در سالهای اخیر دولتها سرمایهگزاریهای هنگفتی در این زمینه انجام دادهاند. در این بین سلولهای خورشیدی که برای استفاده از انرژی خورشید طراحی شدهاند جایگاه ویژهای در بین محققان پیدا کردهاند. از زمان پیدایش تاکنون نسلهای مختلفی از سلولهای خورشیدی ساخته شده که هرکدام نسبت به نسل قبلی برتریهایی داشتهاند. نوع اول به سلولهای فوتوولتاییک سیلیکون ویفری مشهور هستند و در حال حاضر بالای نزدیک به 70 درصد بازار را به خود اختصاص دادهاند. بیشتر از سیلیکون تک کریستالی و چند کریستالی استفاده میشود. بازدهی آنها هم تا بالای 20 درصد رسیده است. نوع دوم سلولهای خورشیدی فوتوولتاییک به سلولهای لایه نازک مشهور هستند. سیلیکون آمورف، کادمیوم تلوراید و موادی هستند که برای ساخت این نوع سلولها به کار میروند. بازدهی آنها به بالای 10% رسیده است ولی قیمت بر حسب وات خروجی پایین تری دارند. وزن پایین و شرایط کاری بهتر مزیت دیگر آنها هستند. نوع سوم سلولهای خورشیدی که در حال حاضر بیشتر توجهات جامعه علمی را به خود اختصاص دادهاند، شامل نانوکریستالهای حساس شده با رنگدانه[1]، فوتوولتاییکهای آلی بر پایه پلیمر، سلولهای خورشیدی چند پیوندی و سلولهای فوتوولتاییکی گرمایی هستند [1،2]. سلولهای چندپیوندی تقریباً 2 برابر توان خروجی بیشتر از نوع اول دارند. بازدهی تئوری آنها هم از انواع دیگر خیلی بیشتر است. بازدهی آنها به بالای 40% رسیده است [3،4] و امروزه از آنها بیشتر در فضا پیماها و ماهوارهها استفاده میکنند. در حال حاضر انسان از بخش کوچکی از این انرژی استفاده میکند و دلیل آن در بازدهی پایین سلولهای خورشیدی موجود است. برای جبران این خلأ باید بازدهی و قیمت تمام شده سلول فوتوولتاییک کاهش یابد.
تلاش محققان بیشتر بر روی بازدهی بیشتر و قیمت ارزانتر متمرکز شده است. در سالهای اخیر محققان دریافتند که استفاده از نانوذرات در سلولهای خورشیدی فیلم-نازک باعث افزایش جریان فوتونی آنها میشود. این اثر به تحریک پلاسمونهای سطح نانوذرات توسط نور فرودی ربط داده میشود. بنابراین این نوع ساختارها به سلولهای خورشیدی پلاسمونی معروف شدند. نانو ذرات میتوانند در ابعاد و اشکال متنوعی ساخته شوند و بسته به روش ساخت میتوان نانو ذرات فلزی را به اشکال کروی، مثلثی، پنج ضلعی و شش ضلعی و اشکال تصادفی تولید کرد. به منظور استفاده از پتانسیل بالای نانو ذرات فلزی مراحل ساخت، فرایند شکلگیری و رشد را برای به دست آوردن نانو ذرات یکنواخت با اندازه و شکل معین میبایست کنترل کرد. گسترش روزافزون تحقیقات در حوزه حسگرهای پلاسمونی، موجب شکل گیری روشهای مختلف تئوری در توصیف عملکرد آنها شده است.
1-2 سیر تحول سلولهای خورشیدی فیلم-نازک
همانطور که گفتیم در حال حاضر بیشتر سلول های خورشیدی موجود در بازار بر پایه سیلیکون کریستالی ویفری هستند که ضخامتی در حدود 200 میکرون دارند. حدود 40% قیمت آنها برای ویفرهای سیلیکونیشان است. با نازکشدن لایهی سیلیکونی علاوه بر کاهش هزینه ساخت، مسیر انتشار حاملها کوتاهتر شده و در نتیجه بازترکیب حاملها کمتر میشود. بنابراین بیشتر تحقیقات در سال های اخیر بر روی ساخت سلولهای خورشیدی نازکتر و با بازدهی بیشتر متمرکز شده است. در حال حاضر این نوع سلولهای خورشیدی از نیمرساناهایی مانند کادمیوم-تلوراید، مس-ایندیوم و سیلیکون چند بلوری[2] بر روی زیرلایههای ارزانی چون شیشه و پلاستیک ساخته میشوند. مشکل اصلی این ساختارها جذب کم در ناحیه نزدیک گاف بود. این عیب برای نیمرساناهایی با گاف غیر مستقیم، برجستهتر است. بنابراین برای افزایش جذب، سلولهای خورشیدی باید طوری ساخته شوند که نور را در خود نگه دارد. در ابتدا برای محبوس سازی نور در سیلیکون از سلولهای ویفر مانند استفاده میکردند. در این روش هرمهایی با اندازه 2-10 میکرون برای محبوس سازی نور در سطح تزریق میشود. به هرحال هرمهایی با این ابعاد برای فیلمهای نازک کارایی ندارد. در مرحله بعد برای حل این مشکل ساختارهایی با ابعاد طول موج را روی زیر لایه نشاندند و سپس فیلم نازک را روی آن گذاشتند و جریان فوتونی[3] تا حد زیادی افزایش پیدا کرد [5] ولی در سطوح صاف بازترکیب حاملها افزایش مییابد که این اثر مخربی برای سلولهای خورشیدی است. یکی از راههایی که در سال های اخیر برای محبوس سازی نور در سلولهای خورشیدی فیلم نازک و افزایش جذب نور مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از پراکندگی از نانوذرات فلزی است که در فرکانس تشدید پلاسمون های سطحی تحریک شده اند[6-9]. این روش منجر به افزایش جریان فوتونی تا 16 برابر در طول موجهای بلند در سلول خورشیدی سیلیکون- عایق با ضخامت 25/1 میکرون شده است. همچنین در ناحیه طیف خورشید این افزایش تا 30% رسیده است[6].
1-3 پلاسمون
به نوسانات الکترونهای آزاد و سطحی یک محیط ، پلاسمون می گویند. از یک نمای کلاسیکی پلاسمونها میتوانند به عنوان نوسان چگالی الکترونهای آزاد نسبت به یونهای مثبت در یک فلز توصیف شوند. پلاسمونها کوانتوم نوسانات الکترونی میباشند. پلاسمون نقش عمده ای در خواص نوری فلزات دارد. نور با فرکانس کمتر از فرکانس پلاسما بازتاب و جذب می شود، زیرا نوسان الکترون ها در فلز باعث پراکندگی و بازتاب نور میشوند. نور با فرکانس بالای فرکانس پلاسما از فلز عبور می کند، زیرا الکترونها نمیتوانند به اندازه کافی سریع نوسان کنند و نمیتوانند به این فرکانسها پاسخ سریع دهند. بسیاری از فلزات که فرکانس پلاسمای آن ها درناحیه ماورای بنفش است در ناحیه مرئی بازتابنده هستند. برخی از فلزات، مانند مس و طلا، در ناحیه مرئی دارای گذارهای نوار الکترونی هستند. در نتیجه برخی طول موجها جذب می شوند. در نیمه هادی ها، فرکانس پلاسمای الکترون ظرفیت معمولاً در طولموجهای زیاد منطقه ماوراء بنفش است و به همین دلیل آنها نیز بازتابنده هستند[8].
میدانهای الکترومغناطیسی القایی میتوانند در هندسه و توپولوژیهای گوناگون وجود داشته باشند. برای مثال پلاسمونهای سطحی موضعی در نانوذرات فلزی که ناشی از نوسانات الکترونهای رسانش فلز هستند و با میدان الکترومغناطیسی کوپل شدهاند و تأثیر زیادی روی جذب و پراکندگی ذرات دارند را به صورت ساده زیر توضیح میدهیم.
رابطه پاشندگی برای این امواج با فرض تقریب الکترواستاتیک و حل معادلهی لاپلاس و در نظرگرفتن شرایط مرزی مناسب، بهدست میآیند. تقریب الکترواستاتیک تا زمانی که ابعاد سیستم از طول موج کوچکتر باشد معتبر است. بعد از بدست آوردن توزیع میدان میتوان وابستگی زمانی آن را لحاظ کرد. برای مثال ذره کروی فلزی با شعاع a در محیط دیالکتریکی و تحت تابش میدان E0 قرار گرفته است.
شکل (1-1) کره فلزی یکنواخت در میدان الکترواستاتیک
جواب معادلهی لاپلاس برای پتانسیل الکترواستاتیک در داخل و خارج کره به صورت زیر بدست میآید:
فرم در حال بارگذاری ...
[چهارشنبه 1399-10-17] [ 10:32:00 ق.ظ ]
|