بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک روش برای شبیهسازی شبکههای نانولوله کربنی - CNT - نیمه شفاف به عنوان لایه جمع کننده بار برای سلول های خورشیدی ارائه شده است. شبکههای نیمه شفاف نانولوله کربنی اجازه میدهند ت ا سطح بیشتری از بار بر روی سطح سلولهای خورشیدی جمع شده و همچنین مسیری با مقاومت کمتر برای حامل-های بار برای حرکت آنها به سمت الکترود فراهم میکند. در این مقاله رفتار سلول خورشیدی در دو حالت با و بدون لایه CNT بررسی شده است. بر اساس نتایج شبیهسازی چگالی جریان در حضور لایه CNT بیش از 6 مرتبه بزرگی بیشتر از چگالی جریان در ساختار بدون لایه CNT است. همینطور، استفاده از لایه CNT جریان اتصال کوتاه سلول خورشیدی را افزایش داده که در نتیجه موجب افزایش 10 درصدی بازده سلول خورشیدی شده است.
-1مقدمه
سلول خورشیدی از ادوات الکتریکی است که انرژی نور را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند . تبدیل انرژی توسط این نوع از سلولها، شامل جذب نور - فوتون - ، تولید جفتهای الکترون-حفره در یک نیمرسانا، و جدا کردن حاملهای بار از هم میشود. در ابتدا این سلولها به طور عمده در سفینههای فضایی جهت تامین برق مورد نیاز سفینه، مورد استفاده قرار میگرفتند ولی با پیشرفت علم و تکنولوژی، سلولهایی با بازده مناسب و قیمت پایین در مقیاس انبوه ساخته شدند و استفاده از آنها روز به روز بیشتر شد.یکی از زمینه های امیدوار کننده تحقیق در بهبود بهره وری سلول های خورشیدی، استفاده از نانولوله های کربنی - Carbon Tanotubes - CNT - - در سلول های خورشیدی است. اخیرا نشان داده شده است که لایههای غیر همگن CNT توانایی عمل به عنوان یک هادی نیمه شفاف دارند .[1] این قابلیت برای استفاده در سلول های خورشیدی به عنوان تماس های الکتریکی و یا به عنوان یک روش برای کاهش درصد سلول های پوشانده شده توسط مخاطب فلز مطلوب است. تماس با فلز بر روی یک چراغ ورودی بلوک سلول که می تواند به قدرت تبدیل شود. از آنجایی که CNT ها احتمالا پوشش تماس های فلزی را در یک سلول خورشیدی کاهش می دهند و هدایت بیشتری نسبت به مواد نیمه هادی دارند، آنها توانایی بهبود کارایی سلول های خورشیدی را دارند. تحقیقات او موجب تحقیق در انجمن فیزیک شد که نشان داد CNT خواص ساختاری و الکتریکی قابل توجهی دارند که میتواند در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار گیرد. به طور مشخص، CNT دارای بیشینه چگالی جریان دو تا سه برابر بیشتر از فلزات معمولی به عنوان هادیها هستند.
نانولولههای کربنی در حین رشد واقعی به دو شکل تک دیواره - Single-Walled CNT - SWCNT - - و چند دیواره - Multi-Walled CNT - MWCNT - - در خواهندآمد. SWCNTها در واقع یک لایه گرافن هستند که رول شده به شکل یک CNT در آمدهاند. MWCNT ها به طور متناوب متشکل از لایه های مختلف گرافن هستند که به روش مشابه رول شدهاند. تمرکز ما در این مقاله بر روی شبکههای ناهمگون SWCNT به عنوان هادیهای شفاف است، که در هنگام رشد SWCNT انواع نانولوله-های نیمه هادی و فلزی تولید میشود .[3] با توجه به توزیع تصادفی CNTها ی تشکیل شده در شبکههای ناهمگون، در حین رشد واقعی یک سوم از نانو لولهها فلز و بقیه نیمه هادی هستند .[4] تمام CNTها از شبکه لانه زنبوری گرافن تشکیل میشوند. از آنجا که نانولوله های فلزی رسانایی بسیار بالایی دارند، بر ویژگیهای الکتریکی لایههای CNT غالب میشوند.
رسانندگی و مقاومت صفحهای شبکههای ناهمگون CNTها با استفاده از مدل Stick Percolation شب یه سازی شده و با داده های تجربی تایید شده است .[3] در این مدل شبکه CNT بصورت یک ناحیه از توزیع تصادفی نواحی هادی و نیمه هادی ارائه شده که به درک جریان حامل در یک شبکه CNT کمک میکند. در این مدل، یک منطقه دو بعدی به طور تصادفی با لولههای هادی و نیمه هادی با جهت گیری تصادفی پر شده است. از آنجایی که این مدل مشکل جریان حامل در یک ساختار شبکه بسیار پیچیده را ساده میکند، پس در واقع این مدل CNT را تئوری نفوذ-رانش قابل حل می-کند .[3] این مدل یک نمایش بصری مفید از یک شبکه ناهمگن ارائه میدهد. ی ک لایهی CNT در بالای ی ک سلول خورشیدی دارای جهت گیری تصادفی از هادی ها است که دارای هدایت خالص بر اساس تراکم لولههای هدایت کننده است.
توانایی ساخت لایههای نیمه شفاف CNT برای داشتن یک ناحیه بزرگتر جمع آوری بار و کاهش اثر سایهاندازی الکترودهای سلول خورشیدی، دلیلی دیگر برای برجسته کردن CNT در تحقیقات سلول خورشیدی است. یکی از روشهای اولیه لایه نشانی شبکههای ناهمگن CNT بر روی سطح سلولهای خورشیدی شامل غوطه ور شدن سلولها در یک محلول با تراکم متغیر CNT ها و سپس پخت شبکه بر روی سطح سلول خورشیدی میباشد .[5] در لایه نشانی یک شبکه ناهمگن CNT بر روی سطح یک سلول خورشیدی، شفافیت سطح را میتوان با تراکم CNT در محلول رسوب کنترل کرد. الکترود با مقاومت صفحهای پایینتر در محلولی با غلظت CNT دو برابر فرو میرود تا چگالی بالاتر CNT در الکترود ایجاد شود. محلول با چگالی بالاتر دارای مقاومت صفحههای پایین تر و همچنین درصد عبور نور پایین تر است.
تحقیقات اخیر نشان داده است که CNTها میتوانند بر روی آرایههای تصادفی مواد لایه نشانی شوند بطوریکه یک شبکه هدایت ناهمگن ایجاد کنند. این شبکه تنها بخشی کوچک از نور را بر اساس چگالی لوله ها در شبکه اشاره شده، جذب و بازتاب میکند .[6] بنابراین این شبکه ناهمگون بعنوان الکترودی با رسانندگی و ضریب عبور نور بالا قابل استفاده است. این کشف منجر به تحقیق گسترده در حوزه سلول خورشیدی در مورد استفاده از CNT به عنوان لایههای الکترود شفاف شده است.در مرجع [7] سلول خورشیدی GaAs با دو لایه CNT به مقاومت صفحهای 75 / و 128 / بررسی شده است. بر اساس نتایج این مقاله لایه CNT جمع-آوری بار در الکترود بالای سلول خورشیدی را بهبود داده بطوریکه منجر به 30 درصد بهبود بازده سلول خورشیدی شده است. در این مقاله همینطور تاثیر افزایش عرض سلول خورشیدی بر پارامترهای آن بررسی شده است. با افزایش عرض سلول خورشیدی مقدار پارامترهای سلول خورشیدی ثابت مانده که ناشی از عملکرد مناسب لایه CNT است.
در مرجع [8] فیلم CNT برای سلولهای پروسکایت و سیلیکنی بررسی شده است. در این مقاله به بررسی مشخصات لایه CNT برای دو کاربرد لایه سد الکترون و الکترود شفاف بطور همزمان بررسی شده است. در این مقاله از CNT بعنوان جایگزین مناسبی برای الکترودهایی مانند ITO نامبرده شده است که تا حدود 13 درصد بازده تبدیل سلول خورشیدی پروسکایت را بدون لایه انتقال حفره بهبود داداه است.هدف ما در این مقاله، مدل کردن یک لایه ناهمگن CNT و نشان دادن مزایای استفاده از شبکههای CNT به عنوان لایه سطحی در تمام سلول های خورشیدی است. مدل ایجاد شده بر اساس داده های تجربی اخیر در شبکه های ناهمگن CNT است. این مدل به عنوان لایه بالای سلول خورشیدی GaAs شبیه سازی شده، استفاده شده است.
-2 معادلات ریاضی
برای مدل کردن شبکه CNT، از مهمترین پارامترها میتوان به مقاومت سطحی و قابلیت تحرک الکترونها و حفرهها اشاره کرد. این دو پارامتر را میتوان با تعریف دقیق مقاومت CNT مدل کرد. مقاومت ویژه در مواد نیمه هادی با رابطه زیر ارائه میشود.در معادله - 1 - ، q بار معادل یک الکترون یا حفره، n و p به ترتیب قابلیت تحرک الکترون و حفره، n و p نیز به ترتیب چگالی ناخالصی الکترون و حفره در نیمههادی هستند. مقاومت سطحی نیمههادی با رابطه - 2 - تعیین میشود.که t ضخامت نیمههادی میباشد معادله مقاومت صفحهای در ابتدا برای حل مقاومت ویژه بر اساس ضخامت یک میکرومتر و مقاومت صفحهای ارائه شده در دادههای تجربی مورد استفاده قرار خواهد گرفت. سپس قابلیت تحرک الکترون و حفره برابر با یکدیگر و برای معادله مقاومت ویژه تعیین میشوند. اگرچه قابلیت تحرکهای الکترون و حفره در یک شبکهی ناهمگون CNT برابر نیستند، ایجاد پایهی یک مقاومت صفحهای بر اساس برابری قابلیت تحرک، برای اهداف این مقاله مناسب است.برای شبیهسازی ادوات نیمه های مدلی عددی ارائه شده است که شامل سه معادله پواسون، معادله پیوستگی جریان حاملها و معادله انتقال آنهاست. معادله پواسون - معادله - - 3 - وابستگی توزیع پتانسیل به چگالی بار الکتریکی بیان میکند.در معادله - 3 - ،V توزیع پتانسیل درون ساختار سلول خورشیدی،ضریب گذردهی الکتریکی نیمرسانا وچگالی بار تعریف شده در ساختار هستند.معادلات پیوستگی - معادله - 4 - و - - 5 - نرخ تغییرات زمانی چگالی الکترون و حفرهها را درون ساختار بیان میکنند که از قانون بقای بار نتیجه شدهاند.
- 3 - = ∇. ⃗ − q - − -
- 4 - = ∇. ⃗ − q - − - در دو معادله بالا n و p به ترتیب چگالی الکترون و
