بخشی از مقاله
چکیده
از زمان اولین استفاده از فناوری فتوولتائیک بر پایه پروسکایت در سال 2009، پروسکایتها پیشرفتی استثنایی در تبدیل انرژی خورشیدی نشان دادهاند. در این مقاله تاثیر نانو ذرات پلاسمونیکی قرار گرفته در سطح فیلم آلی-معدنی پروسکایت بر جذب تابش خورشید بطور عددی بررسی شده است. در این تحقیق از نانو ذرات کروی طلا و نقره در اندازهها و همچنین فاصله های مختلف بین ذرات استفاده شده است. نتایج نشان میدهند که در چیدمان در نظر گرفته شده، حضور نانو ذرات نقره با قطر 100 nm منجر به افزایش حدود 5 درصدی در میزان جذب کل طیف خورشید توسط فیلم پروسکایت می شود و نانو ذرات طلا میزان جذب را کاهش میدهند. همچنین برای نانو ذرات نقره 100 nm، بیشترین میزان جذب برای فاصله بین ذرات 300 nm بدست آمد.
مقدمه
سلولهای خورشیدی شناخته شدند .[3-5] تحقیقات اخیر نشان اولین سلول خورشیدی پروسکایت در سال 2009 معرفی شد می دهند که جمعآوری نور آنها در طولموجهای بلند 650 - تا nm که از پایداری کمی برخوردار بود .[1] پس از آن، تحقیقات در - 800 بهینه نیست .[2] در سال 2015، شی و همکارانش تاثیر راستای افزایش پایداری این سلولها افزایش یافت و در سالهای نانوساختارهای هرمی را بر سلول خورشیدی ترکیبی پروسکایت اخیر مواد پروسکایت مانند CH3NH3PbI3 بدلیل خواص اپتیکی سیلیکون بطور عددی بررسی کردند .[6] عمر و همکارانش در و الکتریکی منحصر بفردشان [2] به عنوان کاندیدایی مناسب برای سال 2016 تاثیر نانوساختارهای گیرانداز نور را بر جذب، تجمیع این مقاله به شرط در دسترس بودن در وبگاه www.psi.ir/?physics96 معتبر است.
مقالهنامه کنفرانس فیزیک ایران 1396
حاملها و بازده کل سلول خورشیدی پروسکایت با روش عددی المان محدود مورد بررسی قرار دادند .[7] استفاده از نانوذرات پلاسمونیک نیز میتواند یکی از راهکارهای افزایش جذب تابش باشد. افزایش جذب طیف تابش خورشید در فیلمهای آلی-معدنی پروسکایت با استفاده از نانو ذرات پلاسمونیکی غوطه ور در آن در سال 2015 گزارش گردید .[8] شبیهسازی آنها نشان داد که میزان جذب تابش خورشید در فیلم پروسکایت با ابعاد مختلف در حضور نانو ذرات طلا با شعاع nm 90 غوطهور در فیلم میتواند تا 10 درصد افزایش یابد. اثرات پلاسمون سطحی محلی نانوذرات فلزی نیز میتواند منجر به افزایش جذب در بازه مشخصی از طیف تابش خورشید گردد. زمانی که این نانوذرات کروی در سطح لایه جاذب پروسکایت قرار گیرند، عملکرد مضر آنها ممکن است غالب گردد. در حقیقت، در کنار تشدید پلاسمونی مفید، این ذرات فلزی میتوانند نور را قبل از جذب در پروسکایت بازتاب کنند. علاوه بر این، در ناحیه مرئی، این ذرات دارای تشدیدهای پلاسمونی مرتبه-بالا هستند که در آنها نور در فلز جذب میشود و بخصوص طلا در ناحیه مرئی مادهای بطور موثر اتلافی است. در این مقاله تاثیر نانو ذرات پلاسمونیکی قرار گرفته در سطح فیلم آلی-معدنی پروسکایت بر جذب تابش خورشید بطور عددی بررسی شده است. برای این منظور از نانو ذرات کروی طلا و نقره در اندازهها و همچنین فاصلههای مختلف استفاده شده است تا جنس، ابعاد و فاصله بهینه نانوذرات برای بالاترین میزان جذب بدست آید.
جزئیات شبیه سازی
در این تحقیق، از روش شبیهسازی اختلاف-محدود حوزه- زمان - FDTD - با استفاده از نرم افزار لومریکال استفاده گردید. چیدمان استفاده شده در شکل1 نشان داده شده است. با توجه به اینکه ابعاد فیلم پروسکایت در میزان جذب در حضور نانوذرات تاثیر گذار است [8] و به منظور حذف این اثرات، ضخامت فیلم برابر مقدار ثابت 2 m در نظر گرفته شد. همچنین با توجه به تقارن مسئله در صفحه xy و به منظور کاهش حجم شبیهسازی، بخشی از فیلم به ابعاد Lx×Ly 2×2 ʽm2 در شبیهسازیها لحاظ گردید. نانو ذرات نقره و طلا در سطح فیلم و در فواصل منظم چیده شدهاند. فرکانس و E نیز میدان الکتریکی است. انتگرال بر روی حجم پروسکایت و نانو ذرات انجام می گردد. طبق این روابط >1 نشان دهنده افزایش جذب است. برای بدست آوردن نتایج دقیقتر و همگرا شدن نتایج، از مشبندی برابر 1 nm استفاده شد. میزان جذب بر حسب طول موج های طیف خورشید و همچنین جذب کل در فیلم پروسکایت برای نانو ذرات نقره و طلا با قطرهای 100 و 200 nm و همچنین فاصله بین ذرات، d، مختلف 200، 300 و 400 nm محاسبه گردید.
بحث و نتایج
نسبت میزان جذب در فیلم پروسکایت در حضور نانو ذرات نقره و طلا با قطر 100 و 200 nm و با فاصله 400 nm از یکدیگر در شکل 2 نشان داده شده است. برای نانوذرات نقره، شکل-2 الف، افزایش جذب تابش در فیلم در حضور نانوذرات با قطر 100 و 200 nm به ترتیب در طول موج های 450 و 580 nm آغاز میشود و این افزایش تا طولموجهای بلندتر ادامه دارد. برای نانوذرات طلا، شکل-2ب، افزایش جذب در طولموجهای بلندتری نسبت به نانو ذرات نقره رخ میدهد و برای نانوذرات با قطر 100 و 200 nm به ترتیب در طول موج های 575 و 670 nm آغاز میشود. این افزایش جذب در طولموجهای بلند از آنجا نشات میگیرد که نانوذرات فلزی و بویژه نانوذرات طلا و نقره، تشدیدهای پلاسمونی محلی در ناحیه طولموجی قرمز و مرکزی طیف مرئی دارند که منجر به افزایش شدت در اطراف نانوذرات و پراکندگی میشوند 10]و.[11 قله طیف خورشید حول طول موج 500 nm نزدیکتر است. دو پدیده اصلی میدان-نزدیک پلاسمونیک و پراکندگی میتوانند در افزایش جذب در لایه پروسکایت تاثیر گذار باشند. نشان داده شده است که اثرات میدان نزدیک زمانی غالب است که ذرات در نزدیکی زیر لایه قرار دارند، در حالی که وقتی ذرات در نزدیکی سطح باشند پراکندگی اهمیت بیشتری دارد .[8] در چیدمان مقاله حاضر انتظار میرود که پراکندگی توسط ذرات پلاسمونیکی سازوکار غالب باشد و علت کاهش جذب در حضور نانو ذرات طلا و همچنین نقره با قطر 200 nm نیز میتواند پراکندگی رو به بالا و بازتاب بیشتر است.
در شکل 3 میزان جذب برای نانو ذرات نقره با قطر 100 nm و در فواصل 200، 300 و 400 nm نشان داده شده است. شکل :2 جذب تابش در فیلم پروسکایت در حضور نانوذرات الف - نقره و ب - طلا با فاصله ذرات 400 nm از یکدیگر بر حسب طول موج تابش خورشید. جذب کل تابش خورشید در حضور نانوذرات پلاسمونیکی با فاصله 400 nm در جدول 1 آورده شده است. افزایش جذب در تنها برای نانوذرات نقره با قطر 100 nm و تا حدود 4 درصد مشاهده میشود. دلیل بهره بالاتر نانوذرات نقره با قطر 100 nm نسبت به طلا این است که طول موج قله جذب این ماده، - - ، به جذب طیف خورشید در حضور نانوذرات با قطر 100 nm در جدول 2 آورده شده است. نتایج نشان میدهد که فاصله 300 nm با افزایش حدود 5 درصد در جذب، بهینهترین فاصله میان ذرات است و کاهش فاصله به 200 nm منجر به کاهش جذب میشود. در مرجع [8] نشان داده شده است که برای نانو ذرات غوطه ور در لایه پروسکایت، تشکیل دیمرها در لایههای نازک پروسکایت منجر به بهبود جذب و برای لایههای ضخیمتر منجر به کاهش جذب میگردد که با نتایج بدست آمده در این مقاله سازگار است.این مقاله به شرط در دسترس بودن در وبگاه www.psi.ir/?physics96 معتبر است.
