پایان نامه درباره
خورشیدی، انرژی، پیوند

پایان نامه درباره خورشیدی، انرژی، پیوند

ل آمدهاند.
1-3-3-1- سلول های خورشیدی با پیوند چندگانه39
یک سلول خورشیدی تک- پیوند سنّتی، دارای گاف انرزی مشخصی است. هنگامی که فوتونی با انرژی h? بر سطح پیوند تابانده میشود، اگر h?Eg باشد اضافهی انرژی به صورت گرما در محلّ پیوند تلف میشود؛ و اگر h? Eg باشد پیوند نمیتواند فوتون و طبیعتا انرژی آن را جذب نماید.
از آنجا که طیف خورشیدی حاوی فوتونهایی با گسترهی وسیع انرژی از 0 تا حدود 4 الکترون- ولت است، بازده یک سلول تک پیوند شدیدا محدود خواهد بود. یک راه سرراست مفهومی برای غلبه بر این محدودیت، تقسیم طیف خورشید به چند ناحیه و تبدیل هر ناحیه از طیف توسط پیوندی با گاف انرژی متناسب به الکتریسیته است. راه متداول و پر طرفدارترین راه برای انجام این کار، استفاده از پیوندهای پشتهای40 است که در آن پیوندها از گاف انرژی زیاد به کم بر روی یکدیگر قرار میگیرند. این ساختار در شکل ‏1-5 نمایش داده شده است. در واقع از آنجا که در این سلول نور زیر Eg خود به خود از پیوند عبور میکند میتوان گفت پیوندها خودشان به عنوان فیلترهای طیفی عمل میکنند[9].
پیکربندی پشتهای امکان ساخت کامل سلول به صورت یک ساختار یکپارچه با پیوندهای سری، که از طریق پیوندهای تونلی به یکدیگر متّصلاند، را فراهم کرده است. نتیجهی این امر یک قطعهی یکپارچه با تنها دو پایانه خواهد بود که در نتیجهی آن تبدیل سلول به ماژول به آسانی صورت خواهد گرفت. استفاده از پیکربندی سری برای ساخت یک سلول خورشیدی چند- پیوند نیازمند آن است که فوتوجریان41 تولید شده توسط تمامی پیوندها برابر باشند، چرا که در اتّصال سری پیوندی که کمترین جریان را تولید میکند، تعیین کنندهی جریان عبوری از قطعه است. بازده این سلول بسیار وابسته به Eg پیوندها دارد. در شکل ‏1-6 بازدههای مدل شده برای سلولهای خورشیدی تک- پیوند، دو- پیوند و سه- پیوندِ سری را در حالت ایدهآل به عنوان تابعی از گاف انرژی به ازای دمای 300 درجهی کلوین و تحت تابش 500sun نمایش میدهد. در این مدل فرض شده است که هیچ فوتونی از سطح نیمههادی انعکاس نخواهد یافت و هر فوتون جذب شده حتما یک زوج حامل تولید میکند که توسط پیوند جمعآوری میشوند. در جدول ‏1-1 نیز بازده سلولهایی با 1 تا 4 پیوند سری بر اساس همین مدل و به ازای مقادیر مختلف Eg آورده شده است[9].
شکل ‏1-5- تقسیم طیف خورشید به سه ناحیهی مختلف برای جذب توسط سلول خورشیدی با سه پیوند پشتهای
شکل ‏1-6- نمودار بازده بر حسب گاف انرژی برای الف.سلول تک پیوند ب. سلول دو- پیوند و ج. سلول سه- پیوند سری در حالت ایدهآل
جدول ‏1-1- بازده سلولهای خورشیدی با 1 تا 4 پیوند به ازای Egهای مختلف
چالش اصلی در این سلولها یافتن Egهای بهینه در عین حفظ کیفیت نزدیک به ایدهآل مواد نیمههادی است. رهیافتهای عبور از این چالش را میتوان به دو دسته طبقهبندی نمود: 1) استفاده از ترکیبهایی از مواد موجود AlGaInAsP که از نظر شبکه غیر منطبقاند و توسعهی راههایی برای کاهش یا حذف نقصها و ناکاملیهای ناشی از تنش در بلور نیمههادی. 2) توسعهی موادّ منطبق جدیدی که در مجموعهی AlGaInAsP قرار ندارند[9].
همچنین یک پیکربندی دیگر برای سلولهای خورشیدی با چند پیوند، بهکار بردن پیوندها به صورت مجزّا یا موازی است. در این حالت طیف خورشید توسط آینههایی تفکیک شده و هر ناحیه به سطح پیوندی با گاف انرژی متناسب بازتابانده میشود. مزیّت این روش در این است که دیگر نیازی به منطبق بودن شبکههای پیوندها نیست و امکان آن را فراهم مینماید که بتوان از پیوندهایی متعدّد و در عین حال نیمههادیهای با کیفیّت بهره گرفت و ضعف ان در دشواری پیادهسازی و برقراری اتّصالات است.
1-3-3-2- سلول های خورشیدی با طیف های ورودی چندگانه
از میان این نوع سلولها میتوان به سلول ترموفوتوولتی42 اشاره نمود.
1-3-3-2-1- سلول ترموفوتوولتی43
اساس کار این سلول به صورت زیر است:
سلول گیرنده44،که یک سلول فوتوولتی است، تابش دریافتی از گسیلنده45(امیتر)، که با منایع مختلف شامل نور خورشید گرم شده است، را به جریان الکتریکی تبدیل میکند[10]، شکل ‏1-7.
تفاوت اساسی این سلول با سلولهای فوتوولتی معمولی در این است که در این سلول این امکان وجود دارد،به شکل تئوری، که تابش جذب نشده توسط سلول گیرنده با راندمان بالایی بازیاقت شود[10]. تفاوت دیگر این است که جسم داغ شده، امیتر،میتواند طیفی باریک تر و با انرژی تقریبا برابر نسبت به طیف خورشید تولید کند[11] و بدین ترتیب عدم تطبیق میان طول موج نور دریافتی و گاف انرژی سلول گیرنده به میزان قابل توجّهی کاهش خواهد یافت.
شکل ‏1-7- نمایش مفهومی سلول ترموفوتوولتی(TPV)
1-3-3-2-2- سلول ترموفوتونی46
در حقیقت ترموفوتونیک47 شکل توسعه یافتهی ترموفوتوولتاییک است که در آن امیتر یک قطعهی فعّال48 است که به آن دیود یا LED داغ گفته میشود[10]. با این کار نرخ انتقال انرژی، به ازای دمای مشخّصی برای امیتر، افزایش یافته و همچنین طیف تابیده شده به سلول گیرنده متمرکزتر خواهد بود[10]، شکل ‏1-8.
شکل ‏1-8- نمایش مفهومی سلول ترموفوتونی(TPX)
1-3-3-3- سلول های خورشیدی با مسیرهای جذب چندگانه49
این نوع سلول خورشیدی مبتنی بر ارائهی فرآیندهای جذبی است که در آنها لزوما یک فوتون تولید یک زوج الکترون-حفره نمیکند[12]. این فرآیندهای جذب عبارتند از: جذب چند( معمولا دو) فوتون کم انرژی برای ایجاد زوج الکترون- حفره با انرژی بالاتر، و تولید چند اکسایتون( به آن تولید اوژه50 و یونیزاسیون ضربهای51 نیز گفته میشود)که در آن یک فوتون پُرانرژی، چند زوج الکترون- حفره تولید میکند و همچنین جذب رامن52[12]، شکل ‏1-9.
شکل ‏1-9- فرآیندهای جذب جدید
1-3-3-4- سلول های خورشیدی با سطوح انرژی چندگانه53
در این سلولها برای کاهش عدم تطبیق گاف انرژی و طول موج فوتونهای تابشی، سطوح انرژی اضافهای ارائه شدهاند تا فوتونها، با هر انرژیی که دارند، به طور کارآمدی جذب شوند[12]. این سطوح اضافی انرژی ممکن است محلی( جایگزیده) و یا غیرجایگزیده باشند، که به ترتیب سلولهای خورشیدی چاه کوانتومی54 و سلولهای خورشیدی باند میانی55 گفته میشوند، شکل ‏1-10.
شکل ‏1-10- نمایش مفهومی سلولهای خورشیدی MEL، الف.باند میانی ب. چاه کوانتومی
1-3-3-5- سلول های خورشیدی با دماهای چندگانه
سلول های خورشیدی با حاملهای داغ56 یکی از بارزترین نمونههای اینگونه سلولهاست که توجّه و کوشش بسیاری از محقّقین را به خود جلب کرده است. به همین منظور در این قسمت به معرّفی اجمالی این سلول میپردازیم:
در این سلول،به طور مفهومی، از اتّصالات گزینشگر57 استفاده میشود تا حاملهای بار پرانرژی( داغ)، قبل از این که به میزان قابل توجّهی سرد شوند، استخراج شوند[1111]. سرد شدن هنگامی رخ میدهد که حاملهای تولید شده برخوردهای غیر کشسانی58 با اتمهای نیمههادی پیدا میکنند. حال اگر حاملها قبل از این که شانس برخوردهای غیرکشسان با اتمهای شبکه را بیابند، استخراج شوند میتوان از سرد شدن آنها و اتلاف توان جلوگیری نمود.
طرح مفهومی یک سلول خورشیدی با حامل داغ در شکل ‏1-11 نمایش داده شده است؛ در این سلول، ناحیهی جاذب نور باید فرآیند ریلکسیشن انرژی کُند و نرخ بازترکیب نوری پایینی داشته باشد[8].
شکل ‏1-11- نمایش مفهومی یک سلول خورشیدی با حامل داغ
1-3-4- سلولهای خورشیدی نانوساختار
استفاده از نانوساختارها در سلولهای خورشیدی، قابلیت دستیابی به بازدههای بالا را فراهم میسازد. این کار به دو صورت انجام میگیرد[13]:
1) استفاده از مکانیزمهای فیزیکی جدید
2) کمک به سلولهای خورشیدی مرسوم برای رسیدن به بازدههایی نزدیک به بیشینهی بازده تئوری
علاوه بر این نانوساختارها، با حرکت به سوی استفاده از ساختارها یا موادّی که به روشهای شیمیایی و زیستی59 ساخته میشوند، قابلیت کاهش هزینههای ساخت را فراهم میسازند[13].
در این فصل کاربردهای دو گروه از نانوساختارهای مهم که خواصّ شگفتانگیز آنها علاقهی بسیاری از محقّقین را به خود جلب کرده است، مورد بررسی قرار میدهیم.
1-3-5- استفاده از نانوسیمها در سلولهای خورشیدی
1-3-5-1- معرفی نانوسیم
نانوسیم یکی از انواع نانوساختارهاست که قطری در حد چند نانومتر دارد. به عبارت دیگر، نانوسیمها را میتوان به عنوان نانوساختارهایی تعریف نمود که قطر آنها به چند ده نانومتر محدود شده در حالی که از نظر طول محدودیتی ندارند[14].
انواع مختلفی از نانوسیمها وجود دارند، از جمله: نانوسیمهای فلزی( مثلا نیکل60، پلاتین61 و طلا62)، نانوسیمهای نیمههادی( مثلا سیلیکون، ایندیم فسفاید63 و گالیم نیتراید64)و نانوسیمهای عایق( مثلا دی اکسید سیلیکون65 و تیتانیوم66 ). نانوسیمهای مولکولی67 نیز دستهای دیگر اند که از تکرار واحدهای مولکولی ارگانیک( مثلا DNA)و یا غیر ارگانیک( مثلا Mo6S9-xIx)تشکیل میشوند[14].
1-3-5-2- ویژگیهای الکتریکی و نوری نانوسیم
نسبت ابعاد68 در نانوسیمهای معمول، اغلب بالاتر از 1000 بوده از این رو موادی تک- بعدی قلمداد میشوند. این مواد تک- بعدی خواص جالبی دارند که در مواد سه بعدی یا بالک دیده نشده است. دلیل این امر را در این حقیقت میتوان یافت که الکترونها در نانوسیم دارای محدودیت کوانتومی بوده و سطوح انرژیای را اشغال میکنند که با سطوح انرژی پیوسته یا نوار انرژی در مواد بالک کاملا متفاوت است[14].
به دلایل مختلف فیزیکی، پیشبینی میشود که هدایت الکتریکی نانوسیمها بسیار کمتر از مواد بالک متناظر خواهد بود. یکی از این دلایل وجود پراکنش69 از مرزهای سیم است که اثر آن، به خصوص وقتی که عرض سیم گمتر از مسیر آزاد میانگین الکترون در مادهی بالک باشد، بسیار قابل توجه خواهد بود. برای مثال در مس، مسیر آزاد میانگین 40 نانومتر است، بنابراین نانوسیمهای مسی با عرض کمتر از 40 نانومتر، مسیر آزاد میانگین را تا حدود عرض سیم پایین میآورند[14].
نانوسیمها همچنین ویژگیهای الکتریکی غیرعادیای، به علت اندازه، از خود نشان میدهند. برخلاف نانولولههای کربن، که حرکت الکترون در آنها در محدودهی ترابرد بالستیک70 قرار میگیرد( یعنی الکترونها میتوانند به راحتی از الکترودی به الکترود دیگر بروند)، هدایت الکتریکی نانوسیمها بسیار متاثر از اثرات لبه71 است. اثرات لبه از اتمهایی ناشی میشوند که در سطح نانوسیم قرار گرفته و با اتمهای همسایه کاملا پیوند ندادهاند. اتمهای بدون پیوند اغلب منبعی برای نقصهای نانوسیمها به شمار رفته و ممکن است موجب شوند که نانوسیمها خیلی ضعیفتر از مواد بالک، الکتریسیته را هدایت کنند.
هرچه نانوسیم کوچکتر شود، اتمهای سطح نسبت به اتمهای درون سیم بیشتر شده و اثرات لبه اهمیت بیشتری خواهند یافت. علاوه بر این، هدایت الکتریکی میتواند تحت تاثیر گسستهسازی72 انرژی قرار گیردف بدین معنی که انرژی الکترونهایی که از یک نانوسیم عبور میکنند به صورت مقادیر گسستهای فرض شود که ضرایبی از ثابت فان کلیتزینگ73، G = 2e2/h، هستند. بنابراین هدایت الکتریکی به صورت حاصلجمع ترابرد به وسیلهی کانالهای گسسته با سطوح انرژی متفاوت توصیف میشود. هرچه نانوسیم باریکتر باشد، تعداد کانالهای در دسترس برای انتقال تلکترونها کمتر خواهد شد[14].
علاوه بر این نانوسیمها به دلیل داشتن ویژگیهایی چون به دام اندازی بهتر نور، تلفات بازتابشی کمتر، ساختار منحصر به فرد هم- محور74 یا هسته/ پوسته75 (که اجازهی تعامد مسیرهای جذب نور و انتقال حامل را میدهد)و همچنین قابلیت رشد شبکهی غیرمنطبقی از زیر- سلولها برای تطبیق بهتر گافهای انرژی در سلولهای خورشیدی چند- پیوند، بسیار مورد توجهاند. با این حال طراحی، رشد و ساخت سلولهای خورشیدی

مطلب مرتبط :   پایان نامه رایگان با موضوعحمل و نقل، پژوهشگران
برای دانلود متن کامل فایل این  پایان نامه می توانید  اینجا کلیک کنید

دیدگاهتان را بنویسید

Close Menu