جستجو در سایت :   

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته  فیزیک

گرایش : اپتیک و لیزر

عنوان : مطالعه سطح مقطع پراکندگی و جذب سلول­های خورشیدی 

دانشگاه شیراز

دانشکده‌ی علوم

 پایان‌نامه‌ی کارشناسی ارشد در رشته‌ی

 فیزیک- اپتیک و لیزر

مطالعه سطح مقطع پراکندگی و جذب سلول­های خورشیدی با بهره گیری از نانوذرات نقره

 استاد راهنما:

دکتر حمید نادگران

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)

چکیده

افزایش بازدهی سلول­های خورشیدی یکی از موضوعاتی می باشد که در سال­های اخیر مورد توجه محققان بوده می باشد. سلول­های خورشیدی پلاسمونی که در سال­های اخیر مطرح شده­اند، نسل جدیدی هستند که می­توانند جایگزین سلول­های بازده پایین صنعتی امروزی شوند. در این پایان­نامه با بهره گیری تئوری مای تاًثیر نانو ذرات نقره در افزایش جذب سلول­های خورشیدی مطالعه گردید. مکان قله­های جذب و پراکندگی با تغییر اندازه نانوذرات جابجا می­گردد پس می­توان با انتخاب مناسب اندازه نانوذره، پراکندگی را در طول موج­های مورد نظر بالا برد تا نور چندین رفت و برگشت در داخل سلول انجام داده و بیشتر جذب گردد. برای محیط­های مطالعه شده در این کار با افزایش اندازه نانو ذره، قله­های جذب و پراکندگی به سمت طول­موج­های بزرگتر حرکت کرده و همزمان پهن­تر شده و قله­های جدیدی ظاهر می­شوندکه ناشی از تحریک مدهای بالاتر پلاسمونی می­باشد.

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

 فهرست مطالب

 عنوان                                                                                                    صفحه

 فصل اول: مقدمه

1-1- کلیات………………………………………………………………………………………………. 2

1-2- سیر تحول سلول­های خورشیدی فیلم-نازک………………………………………………….. 3

1-3- پلاسمون…………………………………………………………………………………………… 4

1-4- تاریخچه بهره گیری از نانوذرات در سلول خورشیدی…………………………………… 7

1-4-1 انواع ساختارهای سلول­های خورشیدی پلاسمونی………………………………….. 7

فصل دوم: سلول­های خورشیدی استاندارد

2-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………… 11

2-2- چگالی حامل­ها……………………………………………………………………………………………. 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 سلول­های 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

 :دانلود فایل متن کامل پایان نامه در سایت sabzfile.com

3-3-2  بهینه سازی پوشش های ضد بازتاب……………………………………………………………………….. 39

 عنوان                                                                                                      صفحه

 3-3-3  نتایج بهینه سازی………………………………………………………………………………………. 42

3-4- پلاسمون های 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 حالت­ها…………………………………………………….. 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 موهومی ضریب شکست معادل نانوذره در محیط­های مختلف………………… 74

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات…………………………………………………………….. 77

مراجع…………………………………………………………………………………….. 79

1مقدمه:

به دلیل افزایش جمعیت و بالارفتن مصرف انرژی در کشورهای درحال توسعه پیش­بینی می­گردد تا سال 2030 سوخت­های فسیلی دیگر جواب­گوی نیازهای بشر نخواهند بود و جهان با بحران کمبود انرژی روبرو خواهد گردید و برای حل این مشکل بایستی به سراغ منابع دیگر انرژی رفت. کوشش برای جایگزینی سوخت­های فسیلی با سوخت­های تجدید پذیر و پاک از نیمه دوم قرن 21 به صورت جدی آغاز شده و در سال­های اخیر دولت­ها سرمایه­گزاری­های هنگفتی در این زمینه انجام داده­اند. در این بین سلول­های خورشیدی که برای بهره گیری از انرژی خورشید طراحی شده­اند جایگاه ویژه­ای در بین محققان پیدا کرده­اند. از زمان پیدایش تاکنون نسل­های مختلفی از سلول­های خورشیدی ساخته شده که هرکدام نسبت به نسل قبلی برتری­هایی داشته­اند. نوع اول به سلول­های فوتوولتاییک سیلیکون ویفری معروف هستند و در حال حاضر بالای نزدیک به 70 درصد بازار را به خود اختصاص داده­اند. بیشتر از سیلیکون تک کریستالی و چند کریستالی بهره گیری می­گردد. بازدهی آنها هم تا بالای 20 درصد رسیده می باشد. نوع دوم سلول­های خورشیدی فوتوولتاییک به سلول­های لایه نازک معروف هستند. سیلیکون آمورف، کادمیوم تلوراید و  موادی هستند که برای ساخت این نوع سلول­ها به کار می­طریقه. بازدهی آنها به بالای 10% رسیده می باشد اما قیمت بر حسب وات خروجی پایین تری دارند. وزن پایین و شرایط کاری بهتر مزیت دیگر آنها هستند. نوع سوم سلول­های خورشیدی که در حال حاضر بیشتر توجهات جامعه علمی را به خود اختصاص داده­اند، شامل نانوکریستال­های حساس شده با رنگدانه[1]، فوتوولتاییک­های آلی بر پایه پلیمر، سلول­های خورشیدی چند پیوندی و سلول­های فوتوولتاییکی گرمایی هستند [1،2]. سلول­های چند­پیوندی تقریباً 2 برابر توان خروجی بیشتر از نوع اول دارند. بازدهی تئوری آنها هم از انواع دیگر خیلی بیشتر می باشد. بازدهی آنها به بالای 40% رسیده می باشد [3،4] و امروزه از آنها بیشتر در فضا پیماها و ماهواره­ها بهره گیری می­کنند. در حال حاضر بشر از بخش کوچکی از این انرژی بهره گیری می­کند و دلیل آن در بازدهی پایین سلول­های خورشیدی موجود می باشد. برای جبران این خلأ بایستی بازدهی و قیمت تمام شده سلول فوتوولتاییک کاهش یابد.

 کوشش محققان بیشتر بر روی بازدهی بیشتر و قیمت ارزان­تر متمرکز شده می باشد. در سال­های اخیر محققان دریافتند که بهره گیری از نانوذرات در سلول­های خورشیدی فیلم-نازک باعث افزایش جریان فوتونی آنها می­گردد. این اثر به تحریک پلاسمون­های سطح نانوذرات توسط نور فرودی ربط داده می­گردد. پس این نوع ساختارها به سلول­های خورشیدی پلاسمونی معروف شدند. نانو ذرات می­توانند در ابعاد و اشکال متنوعی ساخته ­شوند و بسته به روش­ ساخت می­توان نانو ذرات فلزی را به اشکال کروی، مثلثی، پنج ضلعی و شش ضلعی و اشکال تصادفی تولید نمود. به مقصود بهره گیری از پتانسیل بالای نانو ذرات فلزی مراحل ساخت،  فرایند شکل­گیری و رشد را برای به دست آوردن نانو ذرات یکنواخت با اندازه و شکل معین می­بایست کنترل نمود. گسترش روزافزون تحقیقات در حوزه حسگرهای پلاسمونی، موجب شکل گیری روش­های مختلف تئوری در توصیف عملکرد آن­ها شده می باشد.

1-2 سیر تحول سلول­های خورشیدی فیلم-نازک

 همانطور که گفتیم در حال حاضر بیشتر سلول های خورشیدی موجود در بازار بر پایه سیلیکون کریستالی ویفری هستند که  ضخامتی در حدود 200 میکرون دارند. حدود 40% قیمت آنها برای ویفر­های سیلیکونیشان می باشد. با نازک­شدن لایه­ی سیلیکونی علاوه بر کاهش هزینه ساخت، مسیر انتشار حامل­ها کوتاه­تر شده و در نتیجه بازترکیب حامل­ها کمتر می­گردد.  پس بیشتر تحقیقات در سال های اخیر بر روی ساخت سلول­های خورشیدی نازکتر و با بازدهی بیشتر متمرکز شده می باشد. در حال حاضر این نوع سلول­های خورشیدی از نیمرساناهایی مانند کادمیوم-تلوراید، مس-ایندیوم و سیلیکون چند بلوری[2]  بر روی زیرلایه­های ارزانی زیرا شیشه و پلاستیک ساخته می­شوند. مشکل اصلی این ساختارها جذب کم در ناحیه نزدیک گاف بود. این عیب برای نیمرساناهایی با گاف غیر مستقیم، برجسته­تر می باشد. پس برای افزایش جذب، سلولهای خورشیدی بایستی طوری ساخته شوند که نور را در خود نگه دارد. در آغاز برای محبوس سازی نور در سیلیکون از سلولهای ویفر مانند بهره گیری می­کردند. در این روش هرم­هایی با اندازه 2-10 میکرون برای محبوس سازی نور در سطح تزریق می­گردد. به هرحال هرمهایی با این ابعاد برای فیلم­های 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[3] تا حد زیادی افزایش پیدا نمود [5] اما در سطوح صاف بازترکیب حامل­ها افزایش می­یابد که این اثر مخربی برای سلول­های خورشیدی می باشد. یکی از راه­هایی که در سال های اخیر برای محبوس سازی نور در سلول­های خورشیدی فیلم نازک و افزایش جذب نور مورد بهره گیری قرار گرفته می باشد، بهره گیری از پراکندگی از نانوذرات فلزی می باشد که در فرکانس تشدید پلاسمون های سطحی تحریک شده اند[6-9]. این روش منجر به افزایش جریان فوتونی تا 16 برابر در طول موج­های بلند در سلول خورشیدی سیلیکون- عایق با ضخامت 25/1 میکرون شده می باشد. همچنین در ناحیه طیف خورشید این افزایش تا 30% رسیده می باشد[6].

1-3 پلاسمون

 به نوسانات الکترون­های آزاد و سطحی یک محیط ، پلاسمون می‌گویند. از یک نمای کلاسیکی پلاسمون­ها می­توانند به عنوان نوسان چگالی الکترون­های آزاد نسبت به یون­های مثبت در یک فلز توصیف شوند. پلاسمون­ها کوانتوم نوسانات الکترونی می­باشند. پلاسمون تأثیر عمده‌ای در خواص نوری فلزات دارد. نور با فرکانس کمتر از فرکانس پلاسما بازتاب و جذب می گردد، زیرا نوسان الکترون‌ها در فلز باعث پراکندگی و بازتاب نور می­شوند. نور با فرکانس بالای فرکانس پلاسما از فلز عبور می کند، زیرا الکترون­ها نمی­توانند به اندازه کافی سریع نوسان ­کنند و نمی­توانند به این فرکانس­ها پاسخ سریع دهند. بسیاری از فلزات که فرکانس پلاسمای آن‌ها درناحیه ماورای‌بنفش می باشد در ناحیه مرئی بازتابنده هستند. بعضی از فلزات، مانند مس و طلا، در ناحیه مرئی دارای گذارهای نوار الکترونی هستند. در نتیجه بعضی طول موج­ها جذب می شوند. در نیمه‌هادی‌ها، فرکانس پلاسمای الکترون ظرفیت معمولاً در طول­موج­های زیاد منطقه ماوراء بنفش می باشد و به همین دلیل آنها نیز بازتابنده هستند[8].

میدان­های الکترومغناطیسی القایی می­توانند در هندسه و توپولوژی­های گوناگون وجود داشته باشند. برای مثال پلاسمون­های سطحی موضعی در نانوذرات فلزی که ناشی از نوسانات الکترون­های رسانش فلز هستند و با میدان الکترومغناطیسی کوپل شده­اند و تأثیر زیادی روی جذب و پراکندگی ذرات دارند را به صورت ساده زیر تبیین می­دهیم. 

ارتباط پاشندگی برای این امواج با فرض تقریب الکترواستاتیک و حل معادله­ی لاپلاس و در نظرگرفتن شرایط مرزی مناسب، به­دست می­آیند. تقریب الکترواستاتیک تا زمانی که ابعاد سیستم از طول موج کوچکتر باشد معتبر می باشد. بعد از بدست آوردن توزیع میدان می­توان وابستگی زمانی آن را لحاظ نمود. برای مثال ذره کروی فلزی با شعاع a در محیط دی­الکتریکی و تحت تابش میدان E  قرار گرفته می باشد.

شکل (1-1) کره فلزی یکنواخت در میدان الکترواستاتیک

 جواب معادله­ی لاپلاس برای پتانسیل الکترواستاتیک در داخل و خارج کره به صورت زیر بدست می­آید:

همانطور که از ارتباط (1-3) مشخص می باشد در ناحیه­هایی که  کمینه می باشد (شرط فرولیخ[5]) تشدید قطبش­پذیری رخ می­دهد و مد مرتبط را پلاسمون سطحی دوقطبی می­گویند. میدان دوقطبی با  کاهش می­یابد پس این میدان­های موضعی با فاصله گرفتن از سطح به سرعت کاهش می­یابند. خاصیت تشدیدی قطبش­پذیری روی جذب و پراکندگی نانوذره فلزی تاثیر می­گذارد.  سطح مقطع جذب و پراکندگی از ارتباط­های زیر بدست می­آیند[8]:

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه ارشد : محاسبه خواص ترمودینامیکی سیال هلیم III تزریق شده در یک نانو لوله در دمای معین
(4) پس اندازه جذب و پراکندگی نانوذرات به اندازه آنها و طول­موج نور فرودی بستگی دارد و در بعضی از طول موج­ها بیشینه می باشد. فرکانس تشدید به اندازه ذرات بستگی دارد. برای نانوذرات با شکل­های متفاوت می­توان اندازه جذب و پراکندگی را استخراج نمود.

-4 تاریخچه بهره گیری از نانوذرات در سلول خورشیدی

 هال[6] برای اولین بار نشان داد که با نشاندن نانوذرات نقره روی لایه سیلیکونی با ضخامت 165 نانومتر می توان جریان فوتونی را تا 18 برابر در طول موج 800 نانومتر افزایش داد[10]. پس از آن گروهی دیگر با نشاندن نانوذرات طلا روی سلول خورشیدی ویفری در طول موج 500 نانومتر تا 80% عملکرد آن را بهبود بخشیدند[11]. درکاس[7] و همکارانش با نشاندن نانوذرات طلا روی لایه نازک بی­نظم سیلیکون توانستند بازدهی تبدیل سلول خورشیدی را 8% بالا ببرند[12]. سپس پیلای[8]  با بهره گیری از نانوذرات نقره عملکرد یک سلول خورشیدی سیلیکون- عایق (سیلیکون روی عایق) با ضخامت 25/1 میکرون و یک سلول خورشیدی مسطح ویفری را به ترتیب 33% و 19% بهتر کردند[13،15]. بهره گیری از این نانوذرات در سلول­های خورشیدی که از سایر نیمرساناها بهره گیری می­کنند هم باعث ارتقای عملکرد می­گردد[15-17].

افزایش جریان فوتونی به وسیله نانوذرات از دو طریق صورت می­گیرد. اولی پراکندگی نور از طریق این نانوذرات و دومی تقویت نور میدان نزدیک[9] می باشد. اندازه هر دو اثر به شکل ذرات و ساختار سلول بستگی دارد [18-21].

تعداد صفحه :104

قیمت : 14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

پشتیبانی سایت :        ****       serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  **** ***

دسته‌ها: فیزیک