دانشگاه شاهد
دانشکده فنی و مهندسی
پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد مهندسی برق-الکترونیک
عنوان:
شبیه سازی عددی سلول خورشیدی مبتنی بر نانو نوار گرافن با بهره گرفتن از روش تابع گرین غیرتعادلی(NEGF)
استاد راهنما:
دکتر کامیار ثقفی
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست مطالب:
فهرست جدول‌ها………………………… د
فهرست شکل‌‌ها………………………… ه
فصل 1- مقدمه…………………………1
1-1- پیشگفتار………………………… 1
1-2- تاریخچه ی سلول های خورشیدی………………………….. 1
1-3- انواع سلول های خورشیدی………………………….. 2
1-3-1- نسل اوّل سلول های خورشیدی (سلول های کریستالی سیلیکون)……… 2
1-3-1-1- فرایند رشد کریستال های نیمه هادی ها………………………… 2
1-3-1-2-سلول های خورشیدی کریستالی سیلیکونی………………………….. 4
1-3-2- نسل دوم سلول های خورشیدی (سلول های لایه نازک)………………………… 4
1-3-2-1- سلول های خورشیدی لایه نازک سیلیکون………………………….. 5
1-3-2-2- سلول های خورشیدی لایه نازک کلکوپریت…………………………… 5
1-3-2-3- سلول های خورشیدی لایه نازک کادمیم تلوراید…………………………. 6
1-3-2-4- سلول های خورشیدی لایه نازک ارگانیک…………………………… 7
1-3-3- نسل سوم سلول های خورشیدی………………………….. 8
1-3-3-1- سلول های خورشیدی با پیوند چندگانه…………………………. 9
1-3-3-2- سلول های خورشیدی با طیف های ورودی چندگانه…………………. 12
1-3-3-2-1- سلول ترموفوتوولتی …………………………12
1-3-3-2-2- سلول ترموفوتونی ………………………… 12
1-3-3-3- سلول های خورشیدی با مسیرهای جذب چندگانه………………………. 13
1-3-3-4- سلول های خورشیدی با سطوح انرژی چندگانه……………………….. 14
1-3-3-5- سلول های خورشیدی با دماهای چندگانه…………………… 14
1-3-4- سلول های خورشیدی نانوساختار ……………………….15
1-3-5- استفاده از نانوسیم ها در سلول های خورشیدی……………….. 15
1-3-5-1- معرفی نانوسیم…………………….15
1-3-5-2- ویژگی های الکتریکی و نوری نانوسیم………………………. 16
1-3-5-3- سلول های خورشیدی مبتنی بر نانوسیم………………. 17
1-3-6- استفاده از نانولوله در سلول های خورشیدی………….. 20
1-3-6-1- معرفی نانولوله ………………………. 20
1-3-6-2- ویژگی های الکتریکی و نوری نانولوله ها………………… 21
1-3-6-3- سلول های خورشیدی مبتنی بر نانولوله…………………… 22
1-4- استفاده از گرافن در سلول های خورشیدی……………………. 25
1-5- ساختار پایان نامه…………………………. 25
فصل 2- گرافن: ویژگی ها، کاربردها و روش های ساخت…………… 26
2-1- مقدمه…………………………26
2-2- ویژگی های گرافن………………………….. 26
2-2-1- ساختار اتمی گرافن………………………….. 26
2-2-2- ویژگی های الکتریکی والکترونیکی گرافن………………………….. 27
2-2-2-1- کریستال دو بعدی………………………… 27
2-2-2-2- ساختار نواری مخروطی………………………….. 27
2-2-2-3- روش های ویژه جهت ایجاد گاف انرژی………………………….. 29
2-2-2-4- وابستگی جرم سیکلوترون به جذر چگالی حامل……………….. 29
2-2-2-5- حامل های بار بدون جرم (فرمیونهای دیراک)……………………… 30
2-2-2-6- حداقل رسانایی غیر صفر…………………………. 31
2-2-2-7- ترابرد بالیستیک …………………………31
2-2-2-8- اثر هال کوانتومی غیر معمول و پدیده ی فاز بری………………. 33
2-2-2-9- اثر میدان آمبایپلار ( آلایش الکتروستاتیک )………………………… 33
2-2-3- ویژگی های نوری گرافن………………………….. 34
2-3- روش های ساخت گرافن………………………….. 35
2-4- نانو نوارهای گرافن………………………….. 36
فصل 3- روش تابع گرین غیرتعادلی و کاربرد آن در شبیه سازی ادوات نیمه هادی…… 39
3-1- مقدمه …………………………39
3-2- مفهوم ریاضی تابع گرین………………………….. 39
3-3- روش تابع گرین غیرتعادلی(NEGF)………………………… 41
3-3-1- مفاهیم مقدماتی………………………….. 41
3-3-2- استفاده از NEGF برای شبیه سازی ترابرد بالیستیک(بدون تلفات)……………… 44
3-3-3- استفاده از روش NEGF در شبیه سازی ترابرد غیر بالیستیک(تلفاتی) ……………46
3-3-3-1- درهمکنش الکترون- الکترون………………………….. 46
3-3-3-2- درهمکنش های الکترون- فونون و الکترون-فوتون………………………….. 47
3-3-4- پایه های نمایش در روش NEGF (فضای واقعی و فضای مود)…………… 49
فصل 4- روش شبیه سازی………………………….. 50
4-1- مقدمه…………………………50
4-2- فلوچارت کامل شبیه سازی………………………….. 50
4-3- تشکیل همیلتونین………………………….. 52
4-3-1- همیلتونین در فضای حقیقی………………………….. 53
4-3-2- تبدیل همیلتونین به نمایش در فضای مود…………………………. 54
4-4- خود-انرژی ناشی از اتصالات…………………………… 57
4-5- خود-انرژی ناشی از درهمکنش الکترون- فوتون………………………….. 58
4-6- چالش های محاسباتی در شبیه سازی عددی………………………….. 59
4-7- راه حل های ممکن جهت عبور از چالش های محاسباتی…………….. 60
فصل 5- نتایج شبیه سازی………………………….. 61
5-1- مقدمه………………………… 61
5-2- نتایج شبیه سازی………………………….. 61
فصل 6- پیشنهادات…………………………… 64
6-1 بررسی و مطالعه ی دقیق بر روی راه حل های شبیه سازی عددی سلول های خورشیدی نانوساختار با بهره گرفتن از روش NEGF و بهره بردن از تکنیک های تسریع محاسبات از جمله برنامه نویسی موازی به منظور دست یابی به نتایج قابل قبول علمی…….64
6-2 شبیه سازی سلول خورشیدی مبتنی بر گرافن با بهره گرفتن از ساختار ابر-شبکه (به روشه ای مختلف)………..64
6-3 طراحی مدل جدیدی از IB-QD-SC با بهره گرفتن از ساختار ابر شبکه گرافن………………………….. 64
6-4 شبیه سازی سلول های خورشیدی و آشکارسازهای نوری پلاسمونیک با بهره گرفتن از گرافن و طلا (با کمک Comsol)……………..64
6-5 طراحی سلول خورشیدی با جذب نور بسیار بالا به وسیله ی گرافن چند لایه به همراه لایه های میانی شفاف (مثلا H-BN)…………64
فهرست مراجع………………………….. 65
چکیده:
ما در این پایان نامه، برای اولین بار از نانو نوار گرافن به عنوان لایهی فعال یک سلول خورشیدی استفاده نمودهایم. برای شبیهسازی این سلول از روش تابع گرین غیرتعادلی در فضای مود بهره برده و محاسبهی اثر درهمکنشهای الکترون-فوتون به وسیله تقریب خود سامان ده بورن صورت گرفته است. برای بالا بردن سرعت شبیهسازی، پروفایل پتانسیل به دست آمده در حالت تاریکی را برای شبیه سازیهای تحت تابش بهکار برده و بدین ترتیب از حل مجدد معادله پواسون به صورت کوپل با معادله شرودینگر پرهیز نمودهایم. علاوهبراین در محاسبه خود-انرژی ناشی از درهمکنش الکترون- فوتون تقریب محلی(قطری) را به کار برده ایم.
فصل اول: مقدمه
1-1- پیشگفتار
انرژی خورشیدی منحصربه‌فردترین منبع انرژی تجدید پذیر در جهان است و منبع اصلی تمامی انرژی‌های موجود در زمین می‌باشد. این انرژی به صورت مستقیم و غیرمستقیم می تواند به اشکال دیگر انرژی تبدیل گردد[[i]].
به طور کلی انرژی متصاعد شده از خورشید در حدود 3.8e23 کیلووات در ثانیه می‌باشد. ایران با داشتن حدود ۳۰۰ روز آفتابی در سال جزو بهترین کشورهای دنیا در زمینه پتانسیل انرژی خورشیدی می‌باشد. با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران و پراکندگی روستاهای کشور، استفاده از انرژی خورشیدی یکی از مهمترین عواملی است که باید مورد توجه قرار گیرد. استفاده از انرژی خورشیدی یکی از بهترین راه های برق رسانی و تولید انرژی در مقایسه با دیگر مدلهای انتقال انرژی به روستاها و نقاط دور افتاده در کشور از نظر هزینه، حمل‌نقل، نگهداری و عوامل مشابه می‌باشد[1].
با توجه به استانداردهای بین‌المللی اگر میانگین انرژی تابشی خورشید در روز بالاتر از ۳.۵ کیلووات ساعت در مترمربع باشد استفاده از مدلهای انرژی خورشیدی نظیر کلکتورهای خورشیدی یا سیستم‌های فتوولتائیک بسیار اقتصادی و مقرون به صرفه است. این در حالی است که در بسیاری قسمت های ایران، انرژی تابشی خورشید بسیار بالاتر از این میانگین بین‌المللی می‌باشد و در برخی از نقاط حتی بالاتر از ۷ تا ۸ کیلووات ساعت بر مترمربع اندازه گیری شده است ولی بطور متوسط انرژی تابشی خورشید بر سطح سرزمین ایران حدود ۴.۵ کیلو وات ساعت بر مترمربع است[1].
2-1- تاریخچه سلول های خورشیدی
اثر فوتوولتاییک اوّلین بار در سال 1839 توسط بکویهرل[1]، فیزیکدان فرانسوی، به صورت تجربی نشان داده شد[[i]] . پس از آن چارلز فریتز[2] در سال 1883 توانست اوّلین سلول خورشیدی حالت جامد را بسازد. او نیمههادی سلنیم را با لایهی نازکی از طلا پوشانده بود تا بتواند یک پیوند شکل دهد و با این کار توانسته بود به بازده 1% دست یابد. در سال 1946 راسل اُهل[3] موفّق شد یک سلول خورشیدی با پیوند مدرن بسازد.
با این حال اوّلین سلول خورشیدی کاربردی[4] در سال 1954، در آزمایشگاه بل[5]، ساخته شد. چاپین[6]، فولر[7] و پیرسون[8] برای ساخت این سلول از یک پیوند p-n نفوذی سیلیکون[9] استفاده کرده توانستند به بازده 6% دست یابند[2].
سلولهای پیشرفتهی اوّلیه با بهره گرفتن از ویفر[10]های سیلیکن و ژرمانیوم به دست آمدند. پس از آن سلولهایی ساخته شدند که در آنها از لایه های نازک[11] سیلیکن یا دیگر نیمههادیها به جای ویفر استفاده میشد. هم اکنون علاوه بر این دو نوع سلول خورشیدی از سلولهای متعدّد دیگری چون سلولهای پلیمری، ارگانیک، رنگ دانهای( حسّاس شده با رنگ[12])، چند پیونده و … بهره گرفته می شود.
در این فصل انواع مهم سلولهای خورشیدی، که در سه نسل دستهبندی شده اند، به شکل مختصر مورد بررسی قرار میگیرند: نسل اوّل (شامل سلولهای کریستالی سیلیکون[13]) نسل دوم( شامل سلولهای گوناگونی که در آنها از لایه های نازک نیمههادی استفاده می شود) و نسل سوم( شامل سلولهایی که طرّاحی آنها به گونه ایست که میتوانند بازدهی فراتر از حدّ شاکلی- کوییزر دست یابند).
3-1- انواع سلول های خورشیدی
1-3-1- نسل اوّل سلول های خورشیدی (سلول های کریستالی سیلیکون)
در این دسته از سلولهای خورشیدی، از ویفرهای سیلیکون به عنوان نیمههادی فعّال استفاده می شود. سیلیکون با گاف انرژی ev1.12 مادّهای بسیار مناسب برای جذب طیف خورشید به حساب میآید. همچنین از نظر فراوانی در طبیعت دومین عنصر به شمار میرود. این بدان معناست که دست یابی به سیلیکون خام هزینه چندانی نخواهد داشت و نگرانیای هم برای اتمام منابع آن وجود ندارد.
برای دستیابی به هدایت بالا، افزایش طول عمر سلول و جلوگیری از افت بازده( بر اثر بازترکیب حاملها) سیلیکون را به صورت تک کریستال و با کیفیت بالا مورد استفاده قرار میدهند. گاهی نیز برای کاهش هزینه ها از سیلیکون چند- کریستال بهره گرفته می شود.
1-1-3-1- فرایند رشد کریستالهای نیمه هادی ها
شرایط رشد بلور( کریستال)های نیمههادی که برای ساخت قطعات الکترونیک استفاده می شود بسیار دقیقتر و مشکلتر از شرایط سایر مواد است. علاوه بر این که نیمههادیها باید به صورت کریستالی در دسترس باشند، باید خلوص آنها نیز در محدوده بسیار ظریفی کنترل شود. مثلا تراکم بیشتر ناخالصیهای مورد استفاده در بلورهای Si امروزی کمتر از 1 قسمت در ده میلیارد است. چنین درجاتی از خلوص مستلزم دقّت بسیار در استفاده و به کارگیری مواد در هر مرحله از فرایند ساخت است[[i]].
نیمههادیهای تک عنصری Si و Ge از تجزیهی شیمیایی ترکیبهایی مانند GeO2، SiCl4 و SiHCl3 به دست میآیند. پس از جداسازی و انجام مراحل اوّلیهی خالصسازی، مادهی نیمههادی را ذوب کرده و به صورت شمش[1]هایی در میآورند. Si یا Ge به دست آمده بعد از مرحله بازپخت[2] به صورت چند بلوری است.
در صورت عدم کنترل فرایند سرمایش، نواحی بلوری دارای جهتهای کاملا تصادفی خواهند بود. برای رشد بلور فقط در یک جهت، لازم است که کنترل دقیقی در مرز بین مادّهی مذاب و جامد، در هنگام سرد کردن، انجام پذیرد[3].
یک روش متداول برای رشد تک-کریستالها، سرد کردن انتخابی مادهی مذاب است به گونهای که انجماد در راستای یک جهت بلوری خاص انجام پذیرد. برای مثال در نظر بگیرید یک ظرف از جنس سیلیکا حاوی Ge مذاب باشد؛ می توان طوری آن را از کوره بیرون آورد که انجماد از یم انتها شروع شده و به تدریج تا انتهای دیگر پیش رود. با قرار دادن یک دانه[3]ی بلوری کوچک در نقطهی شروع انجماد می توان کیفیت رشد بلور را بالا برد. اگر سرعت سرد کردن به دقّت کنترل شود و مکان فصل مشترک جامد و مذاب به آهستگی در طول مذاب حرکت داده ش.ود، اتمهای ژرمانیوم همراه با سرد شدن بلور به صورت شبکه الماسی آرایش مییابند. شکل بلور به دست آمده توسط ظرف ذوب تعیین می شود. Ge، GaAs و دیگر بلورهای نیمههادی معمولا با این روش، که روش بریجمن[4] افقی نامیده می شود، رشد داده میشوند. در شکل دیگری از این روش، ناحیهی کوچکی از مادهی بلوری ذوب شده و سپس ناحیهی مذاب طوری به طرف دیگر حرکت داده می شود که در پشت ناحیهی مذاب و در هنگام حرکت آن یک بلور تشکیل شود[3].
یکی از معایب رشد بلور در ظرف مذاب این است که مادهی مذاب با دیواره های ظرف تماس پیدا می کند و در نتیجه در هنگام انجماد تنشهایی ایجاد می شود که بلور را از حالت ساختار شبکه ای کامل خارج میسازد. این نکته به ویژه در مورد Si که دارای نقطهی ذوب بالایی بوده و تمایل به چسبیدن به مواد ظرف ذوب را دارد، مشکلی جدی است. یک روش جایگزین، که این مشکل را برطرف می کند، شامل کشیدن بلور از مذاب در هنگام رشد آن است. در این روش یک دانهی بلوری در داخل مادهی مذاب قرار داده شده و به آهستگی بالا کشیده می شود و به بلور امکان رشد بر روی دانه را میدهد. معمولا در هنگام رشد، یلور به آهستگی چرخانده می شود تا علاوه بر همزدن ملایم مذاب، از هرگونه تغییرات دما( که منجر به انجماد غیر ممکن می شود) متوسط گیری کند. این روش، که روش چوکرالسکی نامیده می شود، به شکل گستردهای در رشد Si، Ge و برخی از نیمههادیهای مرکب استفاده می شود[3].
[1] . Ingot
[2] . Annealing
[3] . Seed
[4] . Bridgman
[i] . بن. جی. استریتمن، غلامحسن روئین تن و سعید صمدی(مترجم)، « فیزیک الکترونیک»، انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران، چاپ ششم، 1387 .
[1] . Becquerel
[2] . Charles Fritts
[3] . Russell Ohl
[4] . Practical
[5] . Bell Laboratory
[6] . Daryl Chapin
[7] . Calvin Souther Fuller
[8] . Gerald Pearson
[9] . Diffused Silicon p-n Junction
[10] . Wafer
[11] . Thin Films
[12] . Dye Sensitized
[13] . Crystalline Silicon Solar Cells
[i] . http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell
[i]. http://www.irses.ir
تعداد صفحه : 81
قیمت :14700 تومان
