دانلود پایان نامه شبیه سازی عددی سلول خورشیدی مبتنی بر نانو نوار گرافن با بهره گرفتن از روش تابع گرین غیرتعادلی(NEGF)

پایاننامه دوره کارشناسی ارشد مهندسی برق-الکترونیک
شبیه سازی عددی سلول خورشیدی مبتنی بر نانو نوار گرافن با بهره گرفتن از روش تابع گرین غیرتعادلی(NEGF)
استاد راهنما:
دکتر کامیار ثقفی
بهمن 1392
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چکیده
ما در این پایان نامه ، برای اولین بار از نانو نوار گرافن به عنوان لایهی فعال یک سلول خورشیدی استفاده نمودهایم. برای شبیهسازی این سلول از روش تابع گرین غیرتعادلی در فضای مود بهره برده و محاسبهی اثر درهمکنشهای الکترون-فوتون به وسیله تقریب خود-سامانده بورن صورت گرفته است. برای بالا بردن سرعت شبیهسازی، پروفایل پتانسیل به دست آمده در حالت تاریکی را برای شبیهسازیهای تحت تابش بهکار برده و بدین ترتیب از حل مجدد معادله پواسون به صورت کوپل با معادله شرودینگر پرهیز نمودهایم. علاوهبراین در محاسبهی خود-انرژی ناشی از درهمکنش الکترون- فوتون تقریب محلی(قطری) را به کار بردهایم.
کلید واژه ها: سلول خورشیدی، نانو نوار گرافن ، شبیهسازی عددی، روش تابع گرین غیر تعادلی(NEGF).
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فهرست جدولها د
فهرست شکلها ه
فصل 1- مقدمه 1
1-1- پیشگفتار 1
1-2- تاریخچه ی سلول های خورشیدی 1
1-3- انواع سلول های خورشیدی 2
1-3-1- نسل اوّل سلول های خورشیدی (سلول های کریستالی سیلیکون) 2
1-3-1-1- فرایند رشد کریستال های نیمه هادی ها 2
1-3-1-2- سلول های خورشیدی کریستالی سیلیکونی 4
1-3-2- نسل دوم سلول های خورشیدی (سلول های لایه نازک) 4
1-3-2-1- سلول های خورشیدی لایه نازک سیلیکون 5
1-3-2-2- سلول های خورشیدی لایه نازک کلکوپریت 5
1-3-2-3- سلول های خورشیدی لایه نازک کادمیم تلوراید 6
1-3-2-4- سلول های خورشیدی لایه نازک ارگانیک 7
1-3-3- نسل سوم سلول های خورشیدی 8
1-3-3-1- سلول های خورشیدی با پیوند چندگانه 9
1-3-3-2- سلول های خورشیدی با طیف های ورودی چندگانه 12
1-3-3-2-1- سلول ترموفوتوولتی 12
1-3-3-2-2- سلول ترموفوتونی………………………. ………………………. 12
1-3-3-3- سلول های خورشیدی با مسیرهای جذب چندگانه 13
1-3-3-4- سلول 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 پایان نامه 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 بهره گرفتن 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 بهره گرفتن از ساختار ابر-شبکه (به روشه ای مختلف) 64
6-3 طراحی مدل جدیدی از IB-QD-SC با بهره گرفتن از ساختار ابر شبکه ی گرافن 64
6-4 شبیه سازی سلول های خورشیدی و آشکارسازهای نوری پلاسمونیک با بهره گرفتن 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 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- فرایندهای 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 می تواند به اشکال دیگر انرژی تبدیل گردد[[i]].
به طور کلی انرژی متصاعد شده از خورشید در حدود 3.8e23 کیلووات در ثانیه میباشد. ایران با داشتن حدود ۳۰۰ 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 ۳.۵ 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 قسمت های ایران، انرژی تابشی خورشید بسیار بالاتر از این میانگین بینالمللی میباشد و در برخی از نقاط حتی بالاتر از ۷ تا ۸ کیلووات ساعت بر مترمربع اندازه گیری شده است ولی بطور متوسط انرژی تابشی خورشید بر سطح سرزمین ایران حدود ۴.۵ کیلو وات ساعت بر مترمربع است[1].
1-2تاریخچهی سلولهای خورشیدی
اثر فوتوولتاییک اوّلین بار در سال 1839 توسط بکویهرل[1]، فیزیکدان فرانسوی، به صورت تجربی نشان داده شد[[ii]] . پس از آن چارلز فریتز[2] 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 اُهل[3] موفّق شد یک سلول خورشیدی با پیوند مدرن بسازد.
با این حال اوّلین سلول خورشیدی کاربردی[4] در سال 1954، در آزمایشگاه بل[5]، ساخته شد. چاپین[6]، فولر[7] و پیرسون[8] برای ساخت این سلول از یک پیوند p-n نفوذی سیلیکون[9] استفاده کرده توانستند به بازده 6% دست یابند[2].
سلولهای پیشرفتهی اوّلیه با بهره گرفتن از ویفر[10]های سیلیکن و ژرمانیوم به دست آمدند. پس از آن سلولهایی ساخته شدند که در آنها از لایه های نازک[11] 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 رنگ[12])، چند پیونده و … بهره گرفته می شود.
در این فصل انواع مهم سلولهای خورشیدی، که در سه نسل دستهبندی شده اند، به شکل مختصر مورد بررسی قرار میگیرند: نسل اوّل( شامل سلولهای کریستالی سیلیکون[13]) نسل دوم( شامل سلولهای گوناگونی که در آنها از لایه های نازک نیمههادی استفاده می شود) 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
-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 می شود. 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 هزینه 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 می شود.
1-3-1-1- فرایند رشد کریستالهای نیمههادی ها
شرایط رشد بلور( کریستال)های نیمههادی که برای ساخت قطعات الکترونیک استفاده می شود 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 محدوده 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 فرایند ساخت است[[iii]].
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 شمش[14]هایی در میآورند. Si یا Ge به دست آمده بعد از مرحله بازپخت[15] به صورت چند بلوری است.
در صورت عدم کنترل فرایند 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 گونه ای 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 دیگر پیش رود. با قرار دادن یک دانه[16]ی بلوری کوچک در نقطهی شروع انجماد می توان کیفیت رشد بلور را بالا برد. اگر سرعت سرد کردن به دقّت کنترل شود و مکان فصل مشترک جامد و مذاب به آهستگی در طول مذاب حرکت داده ش.ود، اتمهای ژرمانیوم همراه با سرد شدن بلور به صورت شبکه الماسی آرایش مییابند. شکل بلور به دست آمده توسط ظرف ذوب تعیین می شود. Ge، GaAs و دیگر بلورهای نیمههادی معمولا با این روش، که روش بریجمن[17] افقی نامیده می شود، رشد داده میشوند. در شکل دیگری از این روش، ناحیهی کوچکی از مادهی بلوری ذوب شده و سپس ناحیهی مذاب طوری به طرف دیگر حرکت داده می شود که در پشت ناحیهی مذاب و در هنگام حرکت آن یک بلور تشکیل شود[3].
یکی از معایب رشد بلور در ظرف مذاب این است که مادهی مذاب با دیواره های ظرف تماس پیدا می کند و در نتیجه در هنگام انجماد تنشهایی ایجاد می شود که بلور را از حالت ساختار شبکه ای کامل خارج میسازد. این نکته به ویژه در مورد Si که دارای نقطهی ذوب بالایی بوده و تمایل به چسبیدن به مواد ظرف ذوب را دارد، مشکلی جدی است. یک روش جایگزین، که این مشکل را برطرف می کند، شامل کشیدن بلور از مذاب در هنگام رشد آن است. در این روش یک دانهی بلوری در داخل مادهی مذاب قرار داده شده و به آهستگی بالا کشیده می شود و به بلور امکان رشد بر روی دانه را میدهد. معمولا در هنگام رشد، یلور به آهستگی چرخانده می شود تا علاوه بر همزدن ملایم مذاب، از هرگونه تغییرات دما( که منجر به انجماد غیر ممکن می شود) متوسط گیری کند. این روش، که روش چوکرالسکی نامیده می شود، به شکل گستردهای در رشد Si، Ge و برخی از نیمههادیهای مرکب استفاده می شود[3].
1-3-1-2- سلول های خورشیدی کریستالی سیلیکونی
این سلولها را میتوان بسته به ساختار بلوری سیلیکون به دو دسته تقسیم نمود : سلولهای خورشیدی سیلیکونی تک-کریستال و سلولهای خورشیدی سیلیکونی چندکریستال. در دستهی دوم از سیلیکون چند کریستال به عنوان نیمههادی فعّال استفاده می شود. در دستهی اول به منظور دستیابی به بازده بالاتر طیّ یک مرحله اضافه، سیلیکون چندکریستال به تک کریستال تبدیل می شود. این کار باعث افزایش هزینه ساخت خواهد شد. از سوی دیگر، از آن جا که نیمههادی باید ابتدا به صورت مربّعی درآمده و سپس مورد استفاده قرار گیرد، دور ریز مواد در این دسته بیش از سلولهای چند کریستال است ( سیلیکون چند کریستال را میتوان در قالبهای مربعی رشد داد).
1-3-2- نسل دوم سلول های خورشیدی (سلول های لایه نازک)
از آن جا که در سلولهای خورشیدی نسل اوّل هزینه ساخت بسیار بالاست، باید راهی برای کاهش هزینهها یافت. برای این کار باید دید چه چیزی موجب بالا رفتن هزینه بالای تولید در آن سلولها میگردید. با یادآوری مطالب پیشین مشخّص می شود که با کاهش مواد مورد استفاده و نیز کاهش کیفیت و خلوص ساختار بلوری میتوان هزینهها را، هر چند بازده هم کاهش یابد، کاهش داد.
در سلولهای خورشیدی لایهنازک در واقع هم مواد مورد استفاده کاهش یافته است و هم فرایند ساخت بسیار ارزانتر شده است. علاوه بر اینها نیمههادیهای لایهنازک انعطاف هم دارند و این امر می تواند کاربردهای جدیدتری نیز پیش روی آنها قرار دهد. در این سلولها برای کاهش بیشتر هزینه حتّی میتوان از نیمههادیهای بیشکل نیز استفاده نمود.
در این فصل انواع مهم سلولهای خورشیدی لایهنازک به صورت مختصر شرح داده شده اند. لازم به ذکر است که معیار قرار گرفتن این سلولها در نسل دوم فقط لایهنازک بودن نیمههادی در آنهاست؛ در حالی که برخی از این سلولها میتوانند در سلولهای نسل سوم نیز قرار بگیرند چرا که بازده آنها می تواند از حدّ شاکلی- کوئیزر نیز فراتر باشد.
تعداد صفحه :81
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 شود.
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.
[add_to_cart id=150835]