بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله به بررسی اثر پلاسمونیک نانوذرات نقره در سلول خورشیدی سیلیکونی مبتنی بر گرافن پرداخته شده است. .علت توجه به نسل اول سلولهای خورشیدی، کارایی، فراوانی و طول عمر زیاد این نوع سلولهای خورشیدی است و علت استفاده از نوع مبتنی بر گرافن نیز داشتن خواص فوقالعاده گرافن در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی باﻻ و تحرک پذیری حاملهای بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی می باشد.
جذب نور پلاسمونیک وابسته به خواص - شکل و اندازه - نانو ذرات فلزی و همچنین ماده اطراف است. در این مقاله با استفاده از شبیه سازی در محیط نرم افزار lumerical ، بهبود و ارتقاء بازده و جریان دهی این سلول خورشیدی بررسی شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که استفاده از نانوذرات نقره باعث شده تا چگالی جریان اتصال کوتاه، ضریب پرشدگی - FF - و بازده به میزان به ترتیب 38% ، 12%/3 و %32 افزایش یابند.
-1 مقدمه
سلول خورشیدی یا سلول فتوولتائیک، یک قطعه الکترونیکی حالت جامد است که درصدی از انرژینورخورشید را، مستقیماً توسط اثرفوتوولتائیک، که پدیدهای فیزیکی و شیمیایی است، به الکتریسیته تبدیل میکند.
پلاسمونیک علمی است که به مطالعه برهم کنش نور با ساختارهای فلزی می پردازد. این برهم کنش بین نور و فلز باعث ایجاد نوسانات تجمعی الکترونهای باند ظرفیت فلز می شود. پلاسمونها، نوسانات جمعی الکترونهای لایه رسانایی هستند که در اثر قرار گرفتن فلز در میدان خارجی به وجودآمده اند، بسامد این نوسانات منطبق بر بسامد پلاسمای ماده است. به تازگی گرافن به صورت ترکیب شده با انواع نانو ذرات غیر ارگانیک مانند پلاتینیم، نقره، طلا، کادمیم سولفید، تیتانیم دی اکسید و زینک اکسید ارایه شده است. که از آن میان نانو کامپوزیتهای نقره، گزینههای مناسبی برای استفاده در صنایع الکترونیک، اپتیک، الکتروشیمی و کاتالیست هستند. بررسیها نشان میدهد که نانو ذره نقره، به واسطه کاربردهای بالقوه ای که در بیشتر حوزهها دارد، به عنوان ماده ای امید بخش شناخته شده است.
پلاسمونیک بر اساس فرآیند برهم کنش بین امواج الکترومغناطیسی و الکترونهای رسانش در فلزات با ابعاد نانو بیان می شود. از بین نتایج بدست آمده، افزایش عملکرد دستگاهها از طریق اثرات هم افزایی پراکندگی نور و نیز پلاسمونهای سطحی از راه الحاق نانوذرات فلز به داخل دستگاههای فتوولتاییک روشی سودمند است. همچنین بر اساس اطلاعات بدست آمده، بکارگیری توامان گرافن و مشتقات آن با نانوذرات فلز، تکنیکی موثر برای ارتقای عملکرد دستگاهها است، زیرا در این روش ویژگیهای کاتالیتیکی و اپتوالکترونیک افزایش مییابد.[1] اکسیدگرافن و مشتقات آن، به دلیل تراز مطلوب سطح انرژی و ثبات شیمیایی به ویژه در لایه استخراج حفره، برای لایههای بین وجهی سلولهای خورشیدی سازگار هستند.
بازده سلولهای خورشیدی نیز با پراکندگی نور پلاسمونیک با استفاده از نانوذرات فلزی افزایش مییابد. نور تصادفی، رزونانس پلاسمون سطح موضعی را در نانوذرات فلزی تحریک میکند که پس از آن نور تصادفی را به سلول در یک محدوده زاویهای بزرگ پیوند میدهد 3]؛.[4 نانوذرات فلزی پس از پردازش سلول و جدا شدن از سطح نیمه هادی، توسط یک لایه جدا کننده دی-الکتریک میتوانند به سلولهای خورشیدی اعمال شوند. در نتیجه، پیش بینی شده است که نانوذرات فلزی ذخیره - رسوب - شده روی سلولهای خورشیدی بافت ساختاری سیلیکون باعث افزایش بیشتر جذب نور و همچنین افزایش کارآیی و بازده آنها میشوند.
نانوذرات فلزی میتوانند به راحتی توسط سنتز شیمیایی و یا رسوب درخلاء فیزیکی آماده شوند، نانوذرات فلزی معمولا در لایههای فعال و یا بافر تعبیه شده و یا میتوان آنها را در فصل مشترک لایه فعال و بافر قرار داد. از سوی دیگر، امتیاز پراکندگی توسط نانوذرات فلزی در کاربردهای سلول خورشیدی مطلوب است، زیرا نور درمحیط پراکنده قابل برداشت شده و تبدیل به برق میشود. به طور کلی، با افزایش قطر نانوذرات فلزی، نسبت بیشتری از نور را میتوان با استفاده از نانوذرات فلزی پخش و ترجیحا جذب کرد. در اغلب پژوهشها، نانوذرات فلزی از قطر معمولا 10 نانومتر تا 80 نانومتر در یک فرم کلوئیدی استفاده شده است
نانو ذرات دارای ترکیبات مختلفی هستند که از این بین طلا، نقره و آلومینیوم جزء استانداردترین این عناصر به حساب میآیند. استفاده از پوستهها با هدف ارتقاء ثبات شیمیایی و دوام نانوذرات صورت میگیرد. از طرفی تاثیر استفاده از هندسههای مختلف ذرات، به ویژه اشکال نوک تیز امکان افزایش جذب میدان نزدیک را بیشتر میکند. با این حال هنوز فاصله زیادی بین بهره وری سلولهای خورشیدی معمولی و ترکیبی برای رسیدن به سلولهای خورشیدی مقرون بصرفه وجود دارد.
مجموعه ای از ویژگیهای قابل توجه مانند پتانسیل بالای نانوذرات نقره که بالاترین میزان افزایش را در میان فلزات مورد نظر به همراه دارند، یا امکان حفاظت از سطح ذره با یک پوشش دی الکتریک جهت حفظ اثرات افزایش جذب حاصل از آن، خود مسیرهای روشن و درخشان پژوهش در آینده را مشخص میکند. پیش بینی میشود که مطالعه جامع کلیه اثرات پلاسمونیک تابشی و غیر تابشی ذرات فلزی تعبیه شده در لایههای سلول خورشیدی به ما امکان یافتن پیکربندیهایی را میدهد که علاوه برداشتن عملکردی حتی بهتر، به کاهش هرچه بیشتر میزان مواد فتوولتاییک به کار رفته کمک میکند
تحقیقات علمی درباره نانوذرات پلاسمونیک در قرن چهارم توسط مایکل فارادی آغاز شد. در آن زمان رنگها و نورهای زیبا برای مردم بسیار جذاب بود.
درسال 2010 ، آتواتر و همکارانش نشان دادند که با افزایش طول راه مؤثر نوری در لایه فعال، بازده تبدیل توان به طور چشمگیری افزایش مییابد. یکی از رایجترین روشها برای به دام اندازی نور درون لایه جاذب و افزایش بازده سلول خورشیدی استفاده از خواص پلاسمونیک نانوذرات فلزی می باشد.
در سال 2014، جاوو و همکارانش با استفاده از نانوذرات نقره به شکل نیمکره نشان دادند که غلظت نور در میدان نزدیکی رزونانس سطحی پلاسمون افزایش مییابد. آنها همچنین این افزایش را منجر به افزایش جریان اتصال کوتاه به میزان %22 در سلول خورشیدی به ضخامت 100 نانومتر اعلام کردند .[10] در سال 2017، یی و همکارانش با بررسی ترکیب گرافن با نانوسیمهای نقره برای ساخت الکترود رسانای شفاف بجای ITO که عنصری کمیاب، گران و شکننده است، نشان دادند که این ترکیب باعث کاهش مقاومت و زبری لایه شده و دارای پایداری مناسب در برابر مایعات مخرب و خورنده در دراز مدت میباشد. آنها از این ترکیب راندمان تبدیل قدرت 8,12 را به دست آوردند
-2 روش تحقیق
سلول خورشیدی سیلیکونی ارائه شده در این مقاله با استفاده از روش شبیه سازی بر مبنای تفاضل محدود حوزه زمان - FDTD - ایجاد و تحلیل شده است. با استفاده از نرم افزار لومریکال ساختار سلول خورشیدی در این مقاله شبیه سازی می شود. در این روش قسمت شبیه سازی شده شبکه بندی شده و معادلات ماکسول در فضای این شبکه ها حل می شوند و میدان الکتریکی - E - و میدان مغناطیسی - H - به دست می آید. همچنین از ویژگیهای این نرم افزار تحلیل نوری و الکتریکی ساختار در زیر نرم افزارهای FDTD Solutions و DEVICE خانواده لومریکال می باشد.
-3 ساختار سلول خورشیدی استفاده شده در این مقاله
ساختار سلول خورشیدی سیلیکونی مبتنی بر گرافن که نانو ذرات نقره در آن قرار گرفته اند در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل -1 ساختار سلول خورشیدی بکار رفته در مقاله
نانوذرات نقره هرم شکل بکار رفته در این ساختار در ابعاد 20 تا 80 نانومتر و ارتفاع 70 نانومتر و با دوره تناوب 200 نانومتر مورد بررسی قرار گرفتند. در شکل 2 ساختار بصورت 3 بعدی نمایش داده شده است.
شکل -2 نمایش 3 بعدی ساختار
-4 بررسی و تحلیل سلول خورشیدی مقاله
بمنظور بررسی عملکرد و دستیابی به بهترین نتایج در مورد این سلول خورشیدی، به تغییر ابعاد و استخراج نتایج از نرم افزار می پردازیم.
1؛-4بررسی زمان لازم برای تحلیل
از تواناییهای نرم افزار lumerical بررسی و اندازه گیری زمان عبور فوتون های نور از ساختار و تحلیل واکنشهای آن می باشد. با توجه به نمودار شکل 3 می بینیم که این زمان کمتر از 200 fs می باشد.
شکل-3 زمان لازم برای شبیه سازی کمتر از 200fs است.
2؛-4 بررسی تغییر ابعاد نانوذرات برروی چگالی جریان
نتایج حاصل از تغییر ابعاد بر روی چگالی جریان اتصال کوتاه به صورت شکل 4 بدست آمد.
شکل -4 تاثیر اندازه قاعده هرم بر مقدار چگالی جریان ساختار
همانطور که در منحنی شکل4 می بینیم، هنگامی که ساختار بدون نانوذرات نقره است چگالی جریان 28 mA/cm2 میلی آمپر بر سانتی متر است و با بزرگ شدن قاعده هرم تا 80 نانومتر، این جریان تا حداکثر 39/3 mA/cm2 افزایش می یابد.
3؛-4 بررسی وضعیت انعکاس، جذب و عبور نور
نمودارهای انعکاس، عبور و جذب فوتونهای نور به ازای اندازه قاعده هرم های در ابعاد10×10 و ابعاد 80×80 به ترتیب در شکل های 5 و 6 مشاهده می شود. همانطور که از نمودارها پیداست به ازای افزایش ابعاد نانو هرم های نقره تا 80 نانومتر میزان جذب بهتر شده و فوتونهای انعکاس یافته کاهش می یابند
.شکل-5 نمودار انعکاس، عبور و جذب نور به ازای نانوذرات نقره با قاعده 10×10 نانومتر
شکل -6 نمودار انعکاس، عبور و جذب به ازای نانوذرات نقره با قاعده 80×80 نانومتر
همچنین در شکل 7 می توانیم وضعیت خروج فوتونهای نور از زیر ساختار را مشاهده کنیم.
