دانلود مقاله طراحی یک سلول خورشیدی پلاسمونیک مبتنی بر نانو ذرات فلزی

بخشی از مقاله

1 مقدمه

یک سلول خورشیدی (یک سلول فتوولتائیکی) دستگاه الکتریکی است که انرژی نورانی را مستقیما توسـط اثـر فتوولتائیک به الکتریسیته تبدیل می کند. در حقیقت، سلول خورشیدی شـکلی از سـلول فتوولتـائیکی مـی باشـد کـه هنگامی که در معرض نور قرار می گیرد، می تواند جریان الکتریکی را بدون نیاز داشتن به منبع ولتاژ بیرونی تولید کند و خواص الکتریکی آن از جمله جریان، ولتاژ یا مقاومت با دریافت انرژی نورانی تغییـر مـی کنـد. در سـال1954،اولـین سلول های خورشیدی با سیلیکون تک کریستال به عنوان مواد فعال در آزمایشگاه های بل توسعه داده شدند. پس از آن، سلول خورشیدی با مواد فعال در شکل چند کریستالی یا فیلم بی شکل توسعه داده شدند.[1] برای داشتن بازدهی بالا در سلولهای خورشیدی، علاوه بر توجه به انتخاب درست مواد تشکیل دهندهی ساختار، بایسـتی طراحـی سـاختار نیز به گونه ای انجام شود که حداکثر جذب نور را در لایه فعال داشته باشیم بدین منظور با وارد کردن نانو ذرات ( طـلا - نقره و...) در لایه فعال خواص الکتریکی این لایه را در راستای افزایش جذب بهبود بخشید.[2]

نانو ذرات فلزی مانند نـانو ذرات نقـره نامزدهـایی بـرای افـزایش بـازده تبـدیل تـوان سـلول هـای خورشـیدی پلاسمونیک توسط تشدید پلاسمون سطحی متمرکز شده و توانایی به دام انداختن نور در فیلم می باشـند. نقـره فلـزی نادر ( بی اثر ) می باشد به دلیل اینکه در مقابل اکسیداسیون3 و خورندگی مقاوم است یکی از کاربردهای به شـدت در حال گسترش نقره، کاربرد آن در سلول های فتو ولتائیک برای تولید انرژی خورشیدی می باشد. .[3] تشدید پلاسـمون سطحی متمرکز شده باعث افزایش میدان مغناطیسی موضعی می شود که خواص نوری دسـتگاه هـای نـانو سـاختار را

.1گروه برق،واحدتبریز،دانشگاه آزاد اسلامی،تبریز،ایران
.2گروه فوتونیک،واحد تبریز،دانشگاه سراسری،تبریز،ایران

3Oxidation

بهبود می بخشد.[4] به دام انداختن نور در فیلم توسط پراکندگی و بازتاب باعث افزایش طول مسـیر نـوری مـی شـود. بنابراین، آنها باعث افزایش جذب نور وتولید نور از حامل های پرتحرک می شوند، و در نتیجه، ممکـن اسـت منجـر بـه افزایش بازده تبدیل توان شوند.[5]

.2 سلول خورشیدی لایه نازک

سلولهای خورشیدی لایه نازک بیش از 20 سال تحقیق و توسعه، شروع به گسترش نمودند. لایـه نـازکهـا بـه طور قابل ملاحظهای در هزینه تولید الکتریسیته نسبت به ویفرهای سیلیکونی کاهش ایجاد نمودند.

شکل:1 بازده سلولهای خورشیدی با تکنولوژی لایه نازک

از مزایای این روش قیمت تمام شده کم, حجم کم و قابلیت انعطاف زیر لایه می باشـد و معایـب آن کـم بـودن رانـدمان میباشد. سلولهای خورشیدی لایه نازک سیلیکونی بازده تبدیل توانی حدود 20 درصد را دارا میباشند.[6]

×

شکل:2 نمایی کلی از ساختار سلول خورشیدی لایه نازک را نسان می دهد

.3 معادلات حاکم بر سلول های خورشیدی

در زیر ابتدا معادلات حاکم بر سلول های خورشیدی را به صورت تک بعدی بیان می کنیم و همچنـین روش هـای حـل آنها را توصیف خواهیم نمود. عموما، برای بررسی یک سلول خورشیدی معـادلات پواسـون و انتقـال (معـادلات پیوسـتگی) بـرای الکترون و حفره را حل می کنند.[7]

×معادله پواسون:
(1)× ( )] ( ) ( ) [ ( )

(2) ( ) ( )

×معادلات پیوستگی جریان

(3)
( ) و( ) که با میدان الکتریکی و تعداد حامل ها رابطه زیر دارند:
(4)× ( )

( )
(5)×


×با تلفیق این دو معادله در معادلات پیوستگی به دو معادله زیر می رسیم:
(6) ( ) ( ) ( ) ( )

(7)× ( ) ( ) ( ) ( )

×

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )

( )

( ) ( )
( )
( )

جدول:1 پارامترهای به کار رفته در معادلات حاکم

×ردیف ×نام پارامتر ×نماد پارامتر
1× ×بار ااکترون q
2× ×ضریب دی الکتریک ×
3× ×چگالی دهنده ×
4× ×چگالی پذیرنده ×
5× ×چگالی حفره p
6× ×چگالی الکترون n
7× ×پتانسیل الکتریکی v
8× ×میدان الکتریکی E
9× ×چگالی جریان الکتریکی الکترون ها
10× ×چگالی جریان الکتریکی حفره ها ×
11× ×قابلیت تحرک الکترون
12× ×قابلیت تحرک حفره ×
13× ×نرخ تولید G(x)
14× ×نرخ باز ترکیب R(x)
15× ×ضریب نفوذ الکترون ×
16 ضریب نفوذ حفره ×

.4 ابزار مورد استفاده جهت شبیه سازی

در سلول فتوولتاییک پارامتر کلیدی PCE مشخص کننده بازده تبدیل توان است PCE نسبت ماکزیمم تـوان قابل دستیافت خروجی به توان نور ورودی است. در این مقاله ما به بررسی مشخصه نوری و جذب نانو ذرات فلـزی کـه در این اینجا نانو ذرات نقره در یک لایه فعال هسـتند پرداختـه خواهـد شـد و تـاثیر انـدازه نـانو ذرات روی افـزایش و گسترش طیف جذب مورد بحث و بررسی قرار گرفته خواهد شد. که هدف از ارزیابی افزایش PCE ، Voc، Isc سلول است و این پارامترها را با نتایج شبیه سازی و تجربی دیگر شبیه سازی ها مقایسه خواهیم کرد.

در این مقاله با طراحی و شبیهسازی یک سلول خورشیدی تزریق شده با نانو ذرات نقره، راه کار جدیـدی بـرای افزایش بازده سلولهای خورشیدی ارائه خواهد شد. برای سلول خورشیدی مطرح شده مطابق ویژگیها و پارانر های بدست آمده یک ساختار بهینه را ارائه خواهیم کرد. این کارها را با نرم افزارهای مهندسی لومریکال انجـام خـواهیم داد. نرم افزار لومریکال که جزو قوی ترین ابزارهای رایج شبیه سازی سلول خورشیدی است توانایی دارد مـدلی 3 بعـدی از سلول خورشیدی را با در نظر گرفتن و تعیین ویژگی های نانوذرات رسم نماید. شبیه سـازی نـوری سـلول خورشـیدی نانوساختار و شبیه سازی ادوات پلاسمونی نانوساختار که از ویژگی های این نرم افزار است، مورد استفاده خواهد بود.