پایان نامه درباره
خورشیدی، انرژی، شبیه

پایان نامه درباره خورشیدی، انرژی، شبیه

لول 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 پایاننامه 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 استفاده 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 استفاده از ساختار ابر-شبکه (به روشه ای مختلف) 64
6-3 طراحی مدل جدیدی از IB-QD-SC با استفاده از ساختار ابر شبکه ی گرافن 64
6-4 شبیه سازی سلول های خورشیدی و آشکارسازهای نوری پلاسمونیک با استفاده 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
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول ‏1-1- بازده سلول های خورشیدی با 1 تا 4 پیوند به ازای EGهای مختلف 11
جدول ‏1-2- کاربرد نانولوله های کربن در سلول های خورشیدی 22
جدول ‏2-1- موبیلیتی در نمونه های مختلف گرافن 31
فهرست شکل‌‌ها
عنوان صفحه
شکل ‏1-1- نمونه ای از یک سلول خورشیدی لایه نازک 4
شکل ‏1-2- سلول خورشیدی لایه نازک سیلیکون با چند پیوند 5
شکل ‏1-3- ساختار متداول یک سلول خورشیدی CUINSE2 6
شکل ‏1-4- ساختار مرسوم سلول خورشیدی لایه نازک CDTE 7
شکل ‏1-5- تقسیم طیف خورشید به سه ناحیه ی مختلف برای جذب توسط سلول خورشیدی با سه پیوند پشته ای 10
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 ایده آل 11
شکل ‏1-7- نمایش مفهومی سلول ترموفوتوولتی(TPV) 12
شکل ‏1-8- نمایش مفهومی سلول ترموفوتونی(TPX) 13
شکل ‏1-9- فرآیندهای جذب جدید 13
شکل ‏1-10- نمایش مفهومی سلول های خورشیدی MEL، الف.باند میانی ب. چاه کوانتومی 14
شکل ‏1-11- نمایش مفهومی یک سلول خورشیدی با حامل داغ 15
شکل ‏1-12- نانوسیم های با پیوند شعاعی و محوری(به ترتیب) 18
شکل ‏1-13- انواع کاربرد نانوستون ها در سلول های خورشیدی 19
شکل ‏1-14- مقادیر ISC،VOC و بازده( به ترتیب از چپ به راست) سلول خورشیدی مبتنی بر نانوسیم بر حسب غلظت آلایش 20
شکل ‏1-15- ساختار نواری نانولوله کربن؛ الف) نیمه هادی(0و10)و ب) فلز(5و5) 21
شکل ‏2-1- ساختار نواری گرافن در نزدیکی نقاط دیراک 28
شکل ‏2-2- وابستگی جرم سیکلوترون به چگالی حامل در گرافن[53].مقادیر مثبت و منفی N به ترتیب به چگالی الکترون و حفره اشاره دارند. 30
شکل ‏2-3- مسیر آزاد میانگین(الف) و موبیلیتی حاملها(ب) در یک نمونه گرافن معلق، قبل(آبی) و بعد(قرمز) از بازپخت؛ و مقایسه ی آن با حالت بالیستیک(خط چین)[56] 32
شکل ‏2-4- اثر میدان آمبایپلار در گرافن 33
شکل ‏2-5- استفاده از اثر میدان آمبایپلار در یک آشکار ساز PIN 34
شکل ‏2-6- نانونوارهای آرمچر(الف) و زیگزاگ(ب) 37
شکل ‏2-7- وابستگی عرض نانونوارهای آرمچر به عرض 37
شکل ‏4-1- فلوچارت کلی شبیه سازی 51
شکل ‏4-2- فلوچارت روش NEGF (با جزییات) 52
شکل ‏4-3- سلول یکه و پارامترهای مورد نیاز A-GNR نمونه برای استفاده در مدل تنگ-بست 53
شکل ‏4-4- ارتباط میان نمایش در فضای حقیقی و فضای مود[73] 55
شکل ‏4-5- نمایش اثر اتصالات بر کانال در نمایش های فضای حقیقی و مود[73] 58
شکل ‏5-1- پروفایل پتانسیل در حالت تاریکی 62
شکل ‏5-2- منحنی جریان – ولتاژ در دو حالت : بدون تابش(آبی) و با وجود تابش نور (قرمز) 62
شکل ‏5-3- منحنی توان سلول خورشیدی و تطابق آن با منحنی جریان-ولتاژ 62
شکل ‏5-4- مشخصه های مهم سلول خورشیدی شبیه سازی شده 63
فصل 1- 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 میتواند به اشکال دیگر انرژی تبدیل گردد[1].
به طور کلی انرژی متصاعد شده از خورشید در حدود 3.8e23 کیلووات در ثانیه می‌باشد. ایران با داشتن حدود ??? 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 ?.? 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 قسمتهای ایران، انرژی تابشی خورشید بسیار بالاتر از این میانگین بین‌المللی می‌باشد و در برخی از نقاط حتی بالاتر از ? تا ? کیلووات ساعت بر مترمربع اندازهگیری شده است ولی بطور متوسط انرژی تابشی خورشید بر سطح سرزمین ایران حدود ?.? کیلو وات ساعت بر مترمربع است[1].
1-2- تاریخچهی سلولهای خورشیدی
اثر فوتوولتاییک اوّلین بار در سال 1839 توسط بکویهرل1، فیزیکدان فرانسوی، به صورت تجربی نشان داده شد[2] . پس از آن چارلز فریتز2 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 اُهل3 موفّق شد یک سلول خورشیدی با پیوند مدرن بسازد.
با این حال اوّلین سلول خورشیدی کاربردی4 در سال 1954، در آزمایشگاه بل5، ساخته شد. چاپین6، فولر7 و پیرسون8 برای ساخت این سلول از یک پیوند p-n نفوذی سیلیکون9 استفاده کرده توانستند به بازده 6% دست یابند[2].
سلولهای پیشرفتهی اوّلیه با استفاده از ویفر10های سیلیکن و ژرمانیوم به دست آمدند. پس از آن سلولهایی ساخته شدند که در آنها از لایههای نازک11 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 رنگ12)، چند پیونده و … بهره گرفته میشود.
در این فصل انواع مهم سلولهای خورشیدی، که در سه نسل دستهبندی شدهاند، به شکل مختصر مورد بررسی قرار میگیرند: نسل اوّل( شامل سلولهای کریستالی سیلیکون13) نسل دوم( شامل سلولهای گوناگونی که در آنها از لایههای نازک نیمههادی استفاده میشود) و نسل سوم( شامل سلولهایی که طرّاحی آنها به گونه ایست که میتوانند بازدهی فراتر از حدّ شاکلی- کوییزر دست یابند).
1-3- انواع سلولهای 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 میشود. 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 هزینهی 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 هزینهها از سیلیکون چند- کریستال بهره گرفته میشود.
1-3-1-1- فرآیند رشد کریستالهای نیمههادی ها
شرایط رشد بلور( کریستال)های نیمههادی که برای ساخت قطعات الکترونیک استفاده میشود 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 محدودهی 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 فرآیند ساخت است[3].
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 شمش14هایی در میآورند. Si یا Ge به دست آمده بعد از مرحلهی بازپخت15 به صورت چند بلوری است.
در صورت عدم کنترل فرآیند 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

مطلب مرتبط :   پایان نامه با واژهای کلیدیقوه قاهره، سازمان ملل، فورس ماژور
برای دانلود متن کامل فایل این  پایان نامه می توانید  اینجا کلیک کنید

دیدگاهتان را بنویسید

Close Menu