کد متلب و فایل word پایان نامه بررسی سطح مقطع پراکندگی و جذب سلول‌های خورشیدی با استفاده از نانو ذرات نقره

کد متلب و فایل word پایان نامه

بررسی سطح مقطع پراکندگی و جذب سلول‌های خورشیدی با استفاده از نانو ذرات نقره

چکیده

افزایش بازدهی سلول¬های خورشیدی یکی از موضوعاتی است که در سال¬های اخیر مورد توجه محققان بوده است. سلول¬های خورشیدی پلاسمونی که در سال¬های اخیر مطرح شده¬اند، نسل جدیدی هستند که می¬توانند جایگزین سلول¬های بازده پایین صنعتی امروزی شوند. در این پایان¬نامه با استفاده تئوری مای تاًثیر نانو ذرات نقره در افزایش جذب سلول¬های خورشیدی بررسی شد. مکان قله¬های جذب و پراکندگی با تغییر اندازه نانوذرات جابجا می¬شود پس می¬توان با انتخاب مناسب اندازه نانوذره، پراکندگی را در طول موج¬های مورد نظر بالا برد تا نور چندین رفت و برگشت در داخل سلول انجام داده و بیشتر جذب شود. برای محیط¬های بررسی شده در این کار با افزایش اندازه نانو ذره، قله¬های جذب و پراکندگی به سمت طول¬موج-های بزرگتر حرکت کرده و همزمان پهن¬تر شده و قله¬های جدیدی ظاهر می¬شوندکه ناشی از تحریک مدهای بالاتر پلاسمونی می¬باشد.

کلمات کلیدی: پراکندگی، سلول خورشیدی، پلاسمون، نانو ذرات نقره.

لینک دانلود

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول: مقدمه
1-1- کلیات 2
1-2- سیر تحول سلول¬های خورشیدی فیلم-نازک 3
1-3- پلاسمون 4
1-4- تاریخچه استفاده از نانوذرات در سلول خورشیدی 7
1-4-1 انواع ساختارهای سلول¬های خورشیدی پلاسمونی 7

فصل دوم: سلول¬های خورشیدی استاندارد
2-1- مقدمه 11
2-2- چگالی حامل¬ها 12
2-3- تولید و بازترکیب 15
2-4- پیوند p-n 19
2-5- پیوند p-n تحت تابش 21
2-6- منحنی مشخصه جریان-ولتاژ برای سلول خورشیدی 26

فصل سوم: سازوکارهای افزایش جذب نور در سلول¬های خورشیدی
3-1- مقدمه 30
3-2- سلول خورشیدی سیلیکونی با سطح نامنظم 31
3-2-1 سطوح نامنظم شده سیلیکون تک کریستالی 31
3-2-2 سطوح نامنظم شده برای سیلیکون چندکریستالی 34
3-3- اصول و طراحی پوشش ضد بازتاب 37
3-3-1 نظریه اولیه پوشش ضد بازتاب 37
3-3-2 بهینه سازی پوشش‌های ضد بازتاب 39

3-3-3 نتایج بهینه سازی 42
3-4- پلاسمون‌های 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 حالت¬ها 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 موهومی‌ضریب شکست معادل نانوذره در محیط¬های مختلف 74

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات 77

مراجع 79

 

 

مقدمه و کارهای انجام شده

1-1مقدمه:

به دلیل افزایش جمعیت و بالارفتن مصرف انرژی در کشورهای درحال توسعه پیش¬بینی می¬شود تا سال 2030 سوخت¬های فسیلی دیگر جواب¬گوی 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 سوخت¬های فسیلی با سوخت¬های تجدید پذیر و پاک از نیمه دوم قرن 21 به صورت جدی آغاز شده و در سال¬های اخیر دولت¬ها سرمایه¬گزاری¬های هنگفتی در این زمینه انجام داده¬اند. در این بین سلول¬های خورشیدی که برای استفاده از انرژی خورشید طراحی شده¬اند جایگاه ویژه¬ای در بین محققان پیدا کرده¬اند. از زمان پیدایش تاکنون نسل¬های مختلفی از سلول¬های خورشیدی ساخته شده که هرکدام نسبت به نسل قبلی برتری¬هایی داشته¬اند. نوع اول به سلول¬های فوتوولتاییک سیلیکون ویفری مشهور هستند و در حال حاضر بالای نزدیک به 70 درصد بازار را به خود اختصاص داده¬اند. بیشتر از سیلیکون تک کریستالی و چند کریستالی استفاده می¬شود. بازدهی آنها هم تا بالای 20 درصد رسیده است. نوع دوم سلول¬های خورشیدی فوتوولتاییک به سلول¬های لایه نازک مشهور هستند. سیلیکون آمورف، کادمیوم تلوراید و موادی هستند که برای ساخت این نوع سلول¬ها به کار می¬روند. 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 سلول¬های خورشیدی که در حال حاضر بیشتر توجهات جامعه علمی‌را به خود اختصاص داده¬اند، شامل نانوکریستال¬های حساس شده با رنگدانه ، فوتوولتاییک¬های آلی بر پایه پلیمر، سلول¬های خورشیدی چند پیوندی و سلول¬های فوتوولتاییکی گرمایی هستند [1،2]. سلول¬های چند¬پیوندی 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 ماهواره¬ها استفاده می¬کنند. در حال حاضر انسان از بخش کوچکی از این انرژی استفاده می¬کند و دلیل آن در بازدهی پایین سلول¬های 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 ارزان¬تر متمرکز شده است. در سال¬های اخیر محققان دریافتند که استفاده از نانوذرات در سلول¬های خورشیدی فیلم-نازک باعث افزایش جریان فوتونی آنها می¬شود. این اثر به تحریک پلاسمون¬های سطح نانوذرات توسط نور فرودی ربط داده می¬شود. بنابراین این نوع ساختارها به سلول¬های خورشیدی پلاسمونی معروف شدند. نانو ذرات می¬توانند در ابعاد و اشکال متنوعی ساخته ¬شوند و بسته به روش¬ ساخت می¬توان 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 شکل¬گیری و رشد را برای به دست آوردن نانو ذرات یکنواخت با اندازه و شکل معین می¬بایست کنترل کرد. گسترش روزافزون تحقيقات در حوزه حسگرهای پلاسمونی، موجب شکل گيری روش¬های مختلف تئوری در توصيف عملکرد آن¬ها شده است.

1-2 سیر تحول سلول‌های خورشیدی فیلم-نازک

همانطور که گفتیم در حال حاضر بیشتر سلول‌های خورشیدی موجود در بازار بر پایه سیلیکون کریستالی ویفری هستند که ضخامتی در حدود 200 میکرون دارند. حدود 40% قیمت آنها برای ویفر¬های سیلیکونیشان است. با نازک¬شدن لایه¬ی سیلیکونی علاوه بر کاهش هزینه ساخت، مسیر انتشار حامل¬ها کوتاه¬تر شده و در نتیجه بازترکیب حامل¬ها کمتر می¬شود. بنابراین بیشتر تحقیقات در سال‌های اخیر بر روی ساخت سلول¬های خورشیدی نازکتر و با بازدهی بیشتر متمرکز شده است. در حال حاضر این نوع سلول¬های خورشیدی از نیمرساناهایی مانند کادمیوم-تلوراید، مس-ایندیوم و سیلیکون چند بلوری بر روی زیرلایه¬های ارزانی چون شیشه و پلاستیک ساخته می¬شوند. مشکل اصلی این ساختارها جذب کم در ناحیه نزدیک گاف بود. این عیب برای نیمرساناهایی با گاف غیر مستقیم، برجسته¬تر 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 می¬کردند. در این روش هرم¬هایی با اندازه 2-10 میکرون برای محبوس سازی نور در سطح تزریق می¬شود. به هرحال هرمهایی با این ابعاد برای فیلم¬های 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 تا حد زیادی افزایش پیدا کرد [5] ولی در سطوح صاف بازترکیب حامل¬ها افزایش می¬یابد که این اثر مخربی برای سلول¬های خورشیدی است. یکی از راه¬هایی که در سال‌های اخیر برای محبوس سازی نور در سلول¬های خورشیدی فیلم نازک و افزایش جذب نور مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از پراکندگی از نانوذرات فلزی است که در فرکانس تشدید پلاسمون‌های سطحی تحریک شده اند[6-9]. این روش منجر به افزایش جریان فوتونی تا 16 برابر در طول موج-های 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].

 

مراجع

[1] Dimroth, F., Kurtz S.”High-efficiency multijunctionsolar cells”, MRS Bulletin, Volume 32, 2007.
[2] Burnett, B., ”The basic physics and design of III-V multijunction solar cells”, 2002.
[3] Honsberg, C.B., Corkish R, and Bremner S.P. ”A new generalized detailed balance formulation to calculate solar cell efficiency limits”, Proc. 17th Photovoltaic European Conference, 2001.
[4] Green, M.A et al.”Solar cell efficiency tables” (Version 29), Progress in Photovoltaics, 2007.
[5] Müller J., Rech, B. and M. Vanecek, Solar Energy 77, 917-930, 2004.
[6] Meier, J., Dubail, S., Golay, S., Kroll, U., Faÿ, S., Vallat-Sauvain, E., Feitknecht, L., Dubail, J., and Shah, A., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 74, 457-467, 2002.
[7] Nie, S. and Emory, R., Science 275, 1102, 1997.
[8] Boardman A.D. (1982), Electromagnetic Surface Modes, JohnWiley & Sons, NewYork.
[9] Maier, S. A., Brongersma, M. L., Kik, P. G., Meltzer, S., Requicha, A. A. G. and A. Atwater, H., Adv. Mat. 13, 1501, 2001.
[10] Stuart, H. R. and Hall, D. G., Appl. Phys. Lett.73, 3815, 1998.
[11] Schaadt, D. M., Feng, B. and Yu, E. T., Appl. Phys. Lett. 86, 063106, 2005.
[12] Derkacs, D., Lim, S. H., Matheu, P., Mar, W. and Yu, E. T., Appl. Phys. Lett. 89, 093103, 2006.
[13] Pillai, S., Catchpole, K. R., Trupke, T. and Green, M. A., J. Appl. Phys. 101, 093105, 2007.
[14] Pillai, S., Catchpole, K. R., Trupke, T., Zhang, G., Zhao, J. and Green, M. A., Appl. Phys. Lett. 88, 161102, 2006.

[15] Westphalen, M., Kreibig, U., Rostalski, J., Lüth, H. and Meissner, D., Sol. Energy Mater, Sol. Cells 61, 97-105, 2000.

[16] Rand, B. P., Peumans, P. and Forrest, S. R., J. Appl. Phys. 96, 7519, 2004.

[17] Morfa, A. J., Rowlen, K. L., Reilly, T. H., Romero, M. J. and Lagemaatb, J. v. d. Appl. Phys. Lett. 92, 013504, 2008.

[18] Tanabe, K.; Nakayama, K.; Atwater, H.A. “Plasmon-enhanced absorption and photocurrent in ultrathin GaAs solar cells with metallic nanostructures”, In Proceedings of the 33rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, San Diego, CA, USA, May 2008; p. 129.
[19] Chang, T.H., Wu, P.H., Chen, S.H., Chan, C.H., Lee, C.C., Chen, C.C., Su, Y.K. ”Efficiency enhancement in GaAs solar cells using self-assembled microspheres”. Opt. Express, 17, 6519–6524, 2009.
[20] Lezec, H.J.; Thio, T.,”Diffracted evanescent wave model for enhanced and suppressed optical transmission through subwavelength hole arrays”. Opt. Express, 12, 3629–3651, 2004.
[21] Ferry, V.E.; Sweatlock, L.A.; Pacifici, D.; Atwater, H.A. ”Plasmonic nanostructure design for efficient light coupling into solar cells”. Nano Lett. 8, 4391–4397, 2008.
[22] Sze, S. M. (1981), Physics of Semiconductor Devices”, 2nd edition, John Wiley & Sons, Inc.
[23] Streetman B. G. and Banerjee S. K., (2006), ”Solid state electronic devices”. Pearson.
[24] Green, M. A. (2003), Third Generation Photovoltaics, Springer,.
[25] Nelson, J.,”Quantum-Well Structures for Photovoltaic Energy Conversion”. Thin Films, 21, 1995.
[26] Gray, J. L. (2003), the Physics of the Solar Cell, John Wiley and Sons.
[27] Hovel, H. J.”Semiconductors and Semimetals”, vol. 11, Solar Cells. Academic press, 1975.
[28] Gangopadhyay, U., Dhungel S.K., Basu, P.K, etal. ”Comparative study of different approaches of multicrystalline silicon texturing for solar cell fabrication”. Solar Energy Materials and Solar Cells, vol.91, No.4, pp.285-289, ISSN 0927-0248, 2007.
[29] Chen, F.X. & Wang, L.S., ”Optimized Designof Antireflection Coating for Silicon Solar Cells with Board Angle Usage”, Acta Energiae Solaris Sinica, vol.29, pp.1262-1266, ISSN 0254-0096, 2008.
[30] Derkacs, D., Lim, S. H., Matheu, P., et al.”Improved performance of amorphous silicon solar cells via scattering from surface plasmon polaritons in nearby metallic nanoparticles”. Appl. Phys. Lett., vol.89, pp. 093103-1-093103-3, ISSN 0003-6951, 2006.
[31] Fesquet, L., Olibet, S., Damon-Lacoste, J. et al. ”Modification of textured silicon wafer surface morphology for fabrication of heterojunction solar cell with open circuit voltage over 700mV”. 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), ISBN 978-1-4244-2950-9, Philadelphia, June, 2009.
[32] Wang, H.Y.”The research on light-trapping materials and structures for silicon-based solar cells”. Ph.D thesis, Zhengzhou University, Zhengzhou, China, 2005,
[33] Yang Deren, (2010), Materials for solar cells, Chemical Industry Press, ISBN 978-7-5025-9580-7, China:Beijing.
[34] Meng, F.Y.,”Grain boundary theory and photovoltaic characteristics of solar cell on polycrystalline silicon material”, Ph.D thesis, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, China, 2001.
[35] Geng Xue-Wen, Li Mei-Cheng & Zhao Lian-Cheng, ”Research development of light trapping structures for thin-film silicon solar cells”, Journal of Function Materials, vol.41, No.5, pp.751-754, ISSN 1001-9731, 2010.
[36] Markvart, T. and Castner, L.,”Solar cells: Materials, Manufacture and Operation”, China Machine Press, ISBN 978-7-111-26798-0, China: Beijing , 2009.
[37] Wang, Y.D.,”Study on optical properties of solar cells”, Ph.D thesis, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, China, 2001.
[38] Wang, W.H., Li, H.B. and Wu, D.X., “Designand analysis of anti-reflection coating for solar cells”, Journal of Shanghai University (Nature Science), vol.10, No.1, pp.39-42, ISSN 1007-2861, 2004.
[39] Lin, Y.C. and Lu, W.Q., “Principles of Optical Thin Films”, National Defense Industry Press, ISBN 978-7-118-00543-1, China: Beijing, 1990.
[40] Atwater, H. A. and Polman, A. “Plasmonics for improved photovoltaic devices”, Nature Materials, vol. 9, pp.205–213, ISSN 1476-1122, 2010.
[41] Craig F. Bohren, Donald, Huffman R. (1983), Absorption and scattering of light by small particles, Wiley.
[42] http://en.wikipedia.org/wiki/Encyclopedia.
[43] Edward D. Palik, (1985), Handbook of Optical Constants of Solids, Academic Press.
[44] Trondheim, “Modeling of intermediate band solar cells”, Ph.D theses, (2009).

پیام بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

− four = 1