بخشی از مقاله
چکیده
ساختارهای حجیم ناهمگون 2 بعدی مربوط به سلولهای خورشیدی با مواد نیمههادی آلی همراه با آرایهی بلورهای فتونیک، که به منظور بهبود و افزایش جذب نور خورشید توسط این سلولها مورد بررسیهای فراوان قرار گرفته-اند2]و3و[4، را بررسی میکنیم. در این پژوهش نیز بلورهای فتونیکی از جنس نقره انتخاب شدهاند در حالیکه در تحقیقات پیشین از مواد نیمههادی مانند nc-ZnO بلورهای نانو ذرات اکسید روی استفاده میکردند.
تغییر جنس مادهی بلور فتونیک از نیمههادی به فلز منجر به تبدیل بلورهای فتونیکی به بلورهای فتونیک فلز- نیمههادی آلی با خاصیت پلاسمونیک میشود. این بلورفتونیک فلز- نیمههادی آلی حاوی مادهی زمینه آلی P3HT:PCBM1 با آرایهی منظمی از نانو سیمهای نقره میباشد. این ساختار سلول را به همراه تغییر در مشخصاتی از جمله ابعاد ساختار - ضخامت لایه - P3HT:PCBM، آرایهی بلور فتونیک بررسی نموده و حالت بهینه آنرا بدست آوردهایم.
نتایج بدست آمده با نتایج سلول خورشیدی فتونیک آلی- نانو کریستال ZnO با ضخامت نیمه هادی آلی حدود 193 نانومتر مقایسه شده که در اینجا ضخامت دو برابر یعنی به 386 نانومتر افزایش یافته، و بلور فتونیک فلز- نیمههادی آلی هم درست در وسط نیمه-هادی آلی P3HT:PCBM قرار گرفته است. با این ساختار نشان داده شده که جذب طیف خورشید به مقدار قابل توجهی افزایش مییابد. در تحقیقات پیشین با بلورهای فتونیکی ایجاد شده در ساختار، بازهی طیفی جذب نور خورشید را از طول موج کمینه تا حدود 675 نانومتر افزایش دادهاند، که با این ساختار پیشنهادی بازه طیفی جذب تا حدود 850 نانومتر افزایش یافته است.
مقدمه و هدف
با افزایش استفاده از سوختهای فسیلی آلایندهی محیطزیست و نامحدود بودن منابع سوختهای فسیلی بشر به دنبال جایگزینی انرژیهای پایان ناپذیر و پاک به جای سوختهای فسیلی است. سلولهای خورشیدی یکی از این منابع هستند، توسط سلولهای خورشیدی میتوان انرژی تابشی نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. پدیدهی تولید ولتاژ و جریان با این روش پدیدهی فتوولتایی و فتوجریان نامیده میشوند.
تابش نور به سطح این سلولها که از قطعات نیمههادی تشکیل شدهاند، باعث آزاد شدن حاملهای جریان الکتریکی در آنها شده و در نتیجه این حاملها میتوانند آزادانه در داخل نیمههادی حرکت کنند و توسط الکترودهایی که در دو طرف سلول تعبیه شده جمع آوری شوند .[Tumbleston et all, 2009] از سال 1986 و با گزارش افزایش 1 درصدی تبدیل انرژی خورشید به انرژی الکتریکی در سلولهای خورشیدی با مواد نیمههادی آلی توسط آقای تانگ - Tang - ، ارزان بودن، قابلیت انعطاف پذیری و کاربرد در وسعت زیاد این ساختارها مورد بررسی ویژه قرار گرفتهاند.
اخیرا در حوزه سلولهای خورشیدی آلی تمرکز محققان بر روی ساختارهای حجیم ناهمگون است. به علت شرایط خاص ترازهای انرژِی نیمههادیهای آلی، جفت الکترون-حفره نداریم و این جفت حامل به صورت اکسیتون تولید میشوند، بنابراین جفتهای پذیرنده و دهندهی الکترونهای آلی، در مقیاس چند 10 نانومتری فرآیند جداشدن از هم را انجام میدهند، بنابراین مواد مذکور به منظور آسان کردن جداسازی اکسیتونها به یک جفت الکترون-حفره - حاملهای - آزاد به کار میروند.
علاوه بر این مواد فتوولتاییک آلی دارای یک مشکل ذاتی نسبت به نیمههادیهای معدنی میباشند، آن هم انتقال ضعیف الکترون-حفره است. به علاوه، تبدیل فتوولتاییک خیلی کم است. بنابراین یک شکل هندسی که بتواند به طور همزمان جذب نور و انتقال حاملها را افزایش دهد، سلولهای خورشیدی آلی با آرایه های بلوری فتونیکی هستند، از مزایای مهم این دسته جذب نور و انتقال حاملها به شمار میرود .[Tumbleston et all, 2009]
سلولهای خورشیدی آلی برای اینکه انرژی الکتریکی تولید کنند، به چندین فرایند کلیدی نیازمند هستند، این فرایندها عبارتند از: جذب نور، تشکیل اکسیتون، انتقال اکسیتونها به طرف مرز p-n که منجر به پراکندگی بار میشود و در پایان انتقال حاملها به اکترودها ]مرادی و اژئیان، .[1389 رویههای به دام اندازی نور در سلولهای خورشیدی آلی به صورت های زیر انجام میشود:
توری پراش، لایه ی جداکنندهی نور، بستر خمیده.
تئوری و پیشینه تحقیق
در این تحقیق یک بلورفتونیک فلز- نیمه هادی آلی متناوب 2 بعدی نانوساختار با لایههای نوری فعال، به منظور افزایش جذب نور و بهبود شکل توزیع دوباره اکسیتونها را طراحی میشود. ما طراحی خود را با استفاده از مواد آلی نشان می-دهیم به طوری که میتوان با مواد معدنی نیز اجرا کرد. در سلولهای خورشیدی آلی از Al1 به عنوان الکترود بالا - دهندهی الکترون با تابع کار پایین - و از ITO22 به عنوان الکترود پایین - الکترود شفاف و گیرندهی الکترون با تابع کار بالا - استفاده میکنند. از موادی چون MDMO-PPV1، P3HT2، F8TB3، PCBM4 [Soga, 2006]. و غیره به عنوان مادهی نیمههادی آلی استفاده میکنند که ما ترکیبی از P3HT و PCBM را استفاده میکنیم.
برای بهبود اتصال بین نیمههادی آلی با الکترودها و انتقال بهتر حاملها بین مادهی آلی و الکترودها از بعضی موادی استفاده میشود. بین دو مادهی آلی و الکترود ITO از موادی چون NiO5، PEDOT:PSS و غیره استفاده میشود، معروف ترین و بهترین ماده متصل کنندهی نیمههادیهای آلی با الکترود ITO، نیمههادی PEDOT:PSS میباشد به طوری که اگر ضخامت مناسبی از PEDOT:PSS6 استفاده شود، همزمان ناهمواریهای سطحی ITO را در خود می پوشاند و نشت جریان را کم می کند. برای بهبود اتصال P3HT:PCBM با الکترود Al، هم از موادی چون ZnO7، LiF8 و .. میتوان استفاده کرد، ما برای بررسی تحقیق از نیمههادی ZnO استفاده میکنیم .[Tumbleston et all, 2009]
از ویژگیهای طراحی ما ارتقای بزرگ در کل طول طیفی نور خورشید توسط نیمههادی P3HT:PCBM میباشد، جایی که ضریب جذب به شدت کم است. میزان طول بلور پلاسمونیک فتونیک متناسب با طول برای انتقال اکسیتونها نیست، به علاوه خصوصیات بلور فتونیک به ضریب شکست بین دو مادهی فتونیک و تقابل نسبتا کوچک بین دهندههای الکترون در مواد P3HT و PCBM بستگی دارد .[Joannopoulos] در این مورد ما یک لایهی نوری فعال بلور فتونیکی شامل ترکیب حجیم ناهمگون P3HT:PCBM و یک طراحی پرمنفذ از مادهی Ag - در تحقیقات پیشین nc-Zno - نانو بلور اکسیدروی - را در نظر گرفتهاند - ارائهکرده ایم .[Kim, 2015]
