پایان نامه درباره
عدم تقارن

پایان نامه درباره عدم تقارن

موازی128، باشد.
در این سلول افزودن MWNTها موجب افزایش 50-60 درصدی ضریب پری شده است.
44
24
MWNT
ارگانیک
(BHJOSC)
الکترود شفاف
در این سلول، MWNT بر روی In2O3:Sn رشد داده شده است.
45
25
MWNT
ارگانیک
(ZnO(QD)/MWNT)
بستر
افزودن نقاط کوانتومی ZnO بازده انتقال حاملها را 90% افزایش داده است.
بازده: 1%
46
26
MWNT
ارگانیک تاندم129 موازی با ساختار یکپارچه130
الکترود آند بین لایهای131

47
27
MWNT و SWNT
هیبرید
(/ n-Siپلیمر)
اصلاح لایهی پلیمر
VOC = 0.44V ، ISC = 6.16 mA/cm2، FF = 0.36 و بازده 0.98%
48
28
MWNT
رنگدانهای
الکترود کانتر
بازده افزایش یافته است.
49
1-4- استفاده از گرافن در سلولهای خورشیدی
ITO و FTO رایجترین موادّی هستند که در سلولهای خورشیدی ارگانیک و رنگدانهای به عنوان الکترود پیشین استفاده میشوند امّا استفاده از این مواد با مشکل کمبود منابع و هزینهی بالا همراه است در حالی که گرافن با شفّافیت ، انعطاف پذیری و هدایت الکتریکی بالا و همچنین فراوانی منابع و هزینهی پایین، جایگزینی ایده آل برای این مواد به حساب میآید[50]. ساخت ارزان و استفاده از فیلم گرافن با یک و چند لایه به عنوان الکترود پیشین برای سلول خورشیدی CdTe در مرجع [51] گزارش شده است. همچنین از گرافن تک لایه به عنوان آنود[52,53,54] و کاتد[55] در سلولهای ارگانیک ؛ و به عنوان لایه ی فعّال[56,57,58,59] و الکترود کانتر[60,61] در سلولهای رنگدانهای استفاده شده است. تحت یک میدان الکتریکی داخلی(built-in) گرافن می تواند رفتاری مانند نیمههادی های نوع p از خود نشان دهد[62]. از این حقیقت میتوان برای استفاده از گرافن همراه با Si [63,64]، Ge [64] نانوسیمها [65] و نانوتسمه132های[66] CdS و نانوسیم های Si [67] و دیگر نیمههادیها در سلولهای خورشیدی مبتنی بر پیوند شاتکی(SBSC) بهره برد.
دو چالش مهم در SBSC پایین بودن بازده کوانتومی خارجی و ملاحظات عدم تقارن اتّصالات است، اخیرا بیان شده است که با استفاده از نانوساختارهای پلاسمونیک هر دو مشکل قابل حل هستند[68]. همچنین در سال جاری میلادی فیزیکدانان دانشگاه فلوریدا موفّق شدند با استفاده از یک ترکیب آلی، به عنوان آلایش برای گرافن، بازده این سلولها را به بیش از 4 برابر گذشته، 8.6%، برسانند[69].
استفاده از دیودهای هندسی گرافن به عنوان یکسو کننده در سلولهای خورشیدی رکتنا133 ایده ی جدیدی است که در سال گذشتهی میلادی توسط مادل134 و همکارانش به انجام رسید[70].
1-5- ساختار پایاننامه
در بخشهای پیشین به بیان ضرورت و مزایای استفاد ه از انرژی خورشیدی و همچنین به طور اجمال بررسی تاریخچه، عملکرد و انواع سلولهای خورشیدی پرداخته شد. در فصل 2 به معرفی گرافن و ذکر ویژگیها، کاربردها و روشهای ساخت آن خواهیم پرداخت. روش تابع گرین غیرتعادلی(NEGF) در فصل3 به طور کلی معرفی شده و کاربردهای آن در شبیهسازی ادوات نیمههادی ذکر خواهد شد. فصل4 بیانگر جزییات روش مورد استفادهی ما در این پژوهش بوده و نتایج حاصل از آن را در فصل5 آوردهایم. نهایتا در فصل 6 به ارائهی پیشنهاداتی در تکمیل و ارتقای این پژوهش پرداختهایم.
فصل 2- گرافن: ویژگیها، کاربردها و روشهای ساخت
2-1- مقدمه
تلاش برای ساخت گرافیت یک و چند لایه به سال 1975 برمیگردد؛ هنگامی که لانگ135 شکلگیری گرافیت یک و چند لایه بر اثر تجزیهی حرارتی کربن قرار گرفته بر روی بستر تک-کریستال پلاتین را نشان داد[71]. پس از آن تلاشهای پراکندهای برای ساخت گرافن انجام گرفت تا سرانجام در سال 2004 نووسلوف136 و جیم137 موفق به ساخت گرافن و ارائهی روشی قابل تکرار جهت این کار شدند. این موفقیت به حدی مهم به شمار میآمد که در سال 2010 جایزهی نوبل فیزیک به این دو دانشمند دانشگاه منچستر تعلق گرفت[72].
2-2- ویژگیهای گرافن
گرافن دارای ویژگیهای الکتریکی، حرارتی، مکانیکی و نوری شگفتانگیز و منحصر به فردی است که در ادامه به برخی از این ویژگیها اشاره خواهیم کرد.
2-2-1- ساختار اتمی گرافن
کربن به عنوان اولین عنصر از گروه IV جدول تناوبی دارای ساختار اربیتالی 1s2/2s2/2p2 است. بدین ترتیب اربیتالهای 1s و 2s آن کاملا پر بوده اما در اربیتالهای p، هر یک از 2px و 2py نیمهپر و 2pz کاملا خالی است.
از آنجا که سطح انرژی اربیتالهای 2s و 2p بسیار نزدیک به هم است، میتوانند با یک دیگر ترکیب(هیبرید) شده و تا 8 الکترون را در خود جای دهند. البته، همان طور که گفته شد، در کربن تنها 4 الکترون به این اربیتالها اختصاص مییابد که میتوانند همهی ویژگیهای شیمیایی و فیزیکی کربن و دگرشکل138های آن را توصیف کنند.
در الماس، هیبریداسیون به صورت sp3 و با پیوندهای کوالانسی بسیار مستحکم است و به همین دلیل یک عایق الکتریکی خوب محسوب میشود. در گرافیت اما پیوندهای درون هر یک از صفحهها کوالانسی و با هیبریداسیون sp2 است در حالی که اربیتالهای pz با پیوندهای ضعیف واندروالس139 موجب اتصال میان صفحات میگردند.
در گرافن(یک لایه از گرافیت) هر اتم کربن، 3 تا از الکترونهای خود را با 3 همسایهی مجاورش، درون صفحه، به اشتراک میگذارد و تنها یک الکترون متعلق به اربیتال pz آزاد بوده و میتواند آزادانه در نیم اربیتالهای بالا و پایین صفحهی گرافن جابجا شود.
2-2-2- ویژگیهای الکتریکی والکترونیکی گرافن
2-2-2-1- کریستال دو بعدی
بیش از 70 سال پیش لاندائو140 و پیرلس141 اظهار کردند که شبکههای کریستال 2 بعدی از نظر ترمودینامیکی ناپایدار بوده و وجود خارجی نخواهند داشت[73]. در واقع دمای ذوب مواد لایه نازک با کاهش ضخامت، به سرعت کاهش خواهد یافت و هنگامی که ضخامت آن به حد یک لایهی اتمی میرسد، دیگر پایدار نخواهد ماند.
لازم به ذکر است هیچ یک از ساختارهایی چون چاه کوانتومی و ابر-شبکه که پیشتر به عنوان 2بعدی معرفی شدهاند، 2بعدی نیستند بلکه از آن جا که حرکت حاملهای آنها در یک جهت محدود شده است، میتوان گفت ساختارهایی شبه 2بعدی142 هستند؛ در حالی که گرافن یک ساختار کاملا 2بعدی بوده و ضخامت آن به اندازهی یک لایهی اتمی است.
مطالعهی سیستمهای 2بعدی از آن جهت دارای اهمیت است که با کاهش ابعاد، اثرات ترابرد کوانتومی بروز مییابند. به همین دلیل گرافن، به عنوان یک ساختار 2بعدی، میتواند به صورت وسیلهی موثری برای اصلاح و تکمیل نظریهی کوانتوم کنونی محسوب شود[73].
2-2-2-2- ساختار نواری مخروطی
همان طور که در بخش ساختار اتمی گفته شد، تنها الکترون آزاد در گرافن همان الکترون متعلق به اربیتال pz است که همهی ویژگیهای الکتریکی آن را توصیف میکند.
در ناحیهی اول بریلوئن143، دو نقطهی K و K’ وجود دارند که در آنها نوارهای ظرفیت و هدایت به یکدیگر میرسند و تقاطع نوارها144 رخ میدهد؛ به این دو نقاط دیراک گفته میشود.
ساختار نواری گرافن با در نظر گرفتن تنها در همکنش با نزدیکترین همسایه145، در محاسبات تنگ بست146 برای الکترونهای نزدیک به نقاط دیراک از رابطهی (‏2-1) محاسبه میشود که با بسط این رابطه حول نقاط دیراک به رابطهی (‏2-2) دست مییابیم[74].
(‏2-1)
(‏2-2)
)‏2-3(
)‏2-4(
علامتهای مثبت و منفی در این روابط،به ترتیب، اشاره به نوارهای هدایت و ظرفیت دارند و a از رابطهی )‏2-3) محاسبه میشود. همچنین vF بیانگر سرعت فرمی بوده و از رابطهی )‏2-4) به دست میآید و q تکانه147 نسبت به نقطهی دیراک و acc طول پیوند است.
این ساختار نواری خطی بسیار شبیه به طیف دیراک برای فرمیونهای بدون جرم است، به همین دلیل به حاملهای بار در گرافن، فرمیونهای دیراک نیز گفته میشود[74].
شکل ‏2-1- ساختار نواری گرافن در نزدیکی نقاط دیراک [75]
2-2-2-3- روشهای ویژه جهت ایجاد گاف انرژی148
همان طور که در قسمت قبل نشان داده شده، گرافن در حالت ذاتی گاف انرژی ندارد. این امر میتواند استفاده از گرافن در کاربردهای الکترونیکی و نوری محدود کند. به همین دلیل باید به دنبال راههایی برای ایجاد گاف انرژی در آن بود.
روشهای مختلفی برای این کار پیشنهاد شده است که از میان آنها میتوان به موارد زیر اشاره نمود[76]:
1- گنجاندن نقصهای هیدروکربنی sp3 (مثلا هیدروژن149) درون شبکهی sp2 گرافن
2- استفاده از کرنش تک محور150
3- ایجاد درهمکنش میان گرافن با یک بستر(مثلا نیکل، سیلیکون، رودنیوم151، مس و …)
4- اعمال میدان قائم به گرافن دو لایه152
5- ایجاد محدودیت کوانتومی (مثلا به شکل نانو نوار153، نقطهی کوانتومی154 یا نانودیسک155)
2-2-2-4- وابستگی جرم سیکلوترون156 به جذر چگالی حامل157
آزمایشها نشان میدهند که جرم سیکلوترون در گرافن به جذر چگالی حامل وابسته است، در حالی که در مواد معمول، جرم سیکلوترون همیشه ثابت است. محققین این وابستگی را به عنوان مدرکی جهت اثبات حضور شبه ذرات نسبیتی158 بدون جرم دیراک در گرافن به حساب میآورند[75]. از نظر تئوری هنگامی که حاملهای بار به صورت شبهذرات نسبیتی بدون جرم (فرمیونهای دیراک159)در نظر گرفته شوند، جرم سیکلوترون از طریق رابطهی (‏2-5) به چگالی حامل ارتباط مییابد[75]، شکل ‏2-2.
(‏2-5)
شکل ‏2-2- وابستگی جرم سیکلوترون به چگالی حامل در گرافن[75].مقادیر مثبت و منفی n به ترتیب به چگالی الکترون و حفره اشاره دارند.
2-2-2-5- حاملهای بار بدون جرم (فرمیونهای دیراک)
نتیجه ی خطی بودن ساختار نواری آن خواهد شد که حاملهای بار در گرافن مانند ذرات نسبیتی و بدون جرم ( فرمیون های دیراک) رفتار خواهند کرد.
ویژگی های الکترونیکی مواد معمولا به وسیله ی شبه-ذراتی توصیف می شود که به صورت الکترونهای غیرنسبیتی و با جرم محدود(غیر صفر) رفتار کرده و از معادلهی شرودینگر پیروی می کنند؛اما در گرافن ترابرد حاملهای بار، هم نسبیتی است و هم بدون جرم؛ از این روی برای توصیف آن از معادله ی نسبیتی دیراک استفاده میشود.
رفتار فرمیونهای دیراک، به ویژه در حضور میدان مغناطیسی، بسیار غیرعادی و متفاوت با رفتار الکترونها است[77]. البته رفتار نسبیتی الکترونها در گرافن اولین بار در سال 1947 توسط فیلیپ والاس160 پیشبینی شده بود اما در آن روز کسی تصور نمیکرد ماده ای به ضخامت یک اتم بتواند موجود باشد[78].
جالب است بدانیم که فرمیونهای بدون جرم دیراک قبلا در فیزیک انرژیهای بالا، تحت عنوان نوترینو مطرح شدهاند[74]؛مطابق نظریهی نسبیت، رابطهی انرژی و مومنتوم به صورت (‏2-6) است، و در انرژیهای بالا میتوان از جملهی اول صرف نظر نموده و به رابطهی (‏2-7) رسید.
(‏2-6)
(‏2-7)
اما در گرافن به علت این که جرم حاملهای بار صفر است، در انرژیهای پایین هم، رابطهی انرژی و مومنتوم خطی است و این در واقع پیوندی است میان فیزیک انرژیهای پایین و فیزیک انرژیهای بالا که مطابق آن میتوان با آزمایشهای ساده بر روی گرافن به توسعهی شناخت از الکترودینامیک کوانتومی161 پرداخت [73]. به همین علت به حاملهای بار در گرافن گرافینو هم گفته میشود.
2-2-2-6- حداقل رسانایی غیر صفر
علیرغم چگالی حامل صفر در نزدیکی نقاط دیراک، گرافن کمینهی هدایت 4e2/h از خود نشان میدهد. منشا این هدایت هنوز مشخص نشده است؛ اگرچه بیان شده که نوسانات162 صفحهی گرافن یا ناخالصیهای یونیزه در بستر ممکن است گودالهایی محلی از حاملهای بار را پدید آورند که اجازهی هدایت را به گرافن میدهد[79].
در همین زمینه چندین کار تئوری پیشبینی میکنند که کمینهی هدایت باید باشد، در حالی که اکثر اندازهگیریها از مرتبهی یا بالاتر( بسته به چگالی ناخالصی) هستند[79].
2-2-2-7- ترابرد بالیستیک
موبیلیتی حاملها در گرافن، در محدودهی 10 تا 100 کلوین مستقل از دماست، این امر

مطلب مرتبط :   منبع پایان نامه ارشد درموردسم‌پاش، دبی، نازل‌ها
برای دانلود متن کامل فایل این  پایان نامه می توانید  اینجا کلیک کنید

دیدگاهتان را بنویسید

Close Menu