%31تخفیف

افزایش بهره سلول خورشیدی با بهره‌گیری از مکانیسم‌ تبدیل فوتونی

تعداد 107صفحه در فایل word

ارشد در رشته فیزیک اتمی و مولکولی

 

افزایش بهره سلول خورشیدی با بهره‌گیری از مکانیسم‌ تبدیل فوتونی

چكيده

بخش عمده­ی انرژی جهان توسط انرژی فسیلی تامین می­شود. با توجه به نیاز روزافزون به منابع انرژی و تجدیدناپذیر بودن سوخت­های فسیلی، منابع انرژی تجدید­پذیر مورد توجه قرار گرفته­اند. انرژی خورشیدی به­عنوان یک منبع بدون آلودگی، و تمام نشدنی است که جایگاه منحصر به فردی در بین منابع انرژی تجدید­پذیر دارد. سلول­های خورشیدی ابزارهای الكترونیکي هستند كه نور خورشيد را به طور مستقيم به انرژی الکتریکی تبدیل می­کنند. بخش عمده­ای از انرژی خورشیدی که در ناحیه فروسرخ به سطح سلول می­رسد توسط سلول جذب نمی­شود و از آن عبور می­کند. در این پژوهش به­ منظور افزایش جذب فوتون توسط سلول خورشیدی در ناحیه فروسرخ و کاهش اتلاف درآن، لایه مبدل بالا را در انتهای سلول پیشنهاد می­دهیم سپس ساختاری شامل آرایه­ای متناوب از نانومیله­های پلاسمونیکی از جنس نقره در درون مبدل بالا قرار می­دهیم و با برانگیختگی مد­های پلاسمونی، بهره مبدل بالا و در نتیجه بهره سلول را افزایش می­دهیم. در این پایان نامه به کمک روش تحلیل دقیق موج جفت شده (RCWA)، میزان افزایش بهره مبدل بالا را مورد بررسی قرار می­دهیم.

فهرست

 

عنوان

                                                       صفحه

فصل اول.. 1

1-1- انرژی خورشیدی.. 1

1-2- تاریخچه سلول خورشیدی.. 1

1-2-1- سلول خورشیدی فتوولتائیک…. 2

1-2-2- عملکرد سلول خورشیدی.. 3

1-3- انرژی اتلافی در سلول خورشیدی.. 5

1-4- روش­های کاهش انرژی اتلافی در سلول خورشید. 6

1-4-1- استفاده از نقاط کوانتومی.. 6

1-4-2- اتصال سلول­های چند پیوندی.. 7

1-4-3- لایه­های تبدیل فوتونی.. 7

1-5- خلاصه فصل­ها 8

فصل دوم. 10

لایه­های تبدیل فوتونی.. 10

2-1- جمله­های طیفی.. 10

2-2- انواع تبدیل­های طیفی.. 11

2-3- عناصر خاکی نادر- لانتانیدها 12

2-4- مکانیسم انتقال انرژی.. 14

2-5- مکانیسم تبدیل پایین.. 16

2-6- مکانیسم تبدیل بالا. 17

2-6-1- مکانیسمETU 17

2-6-2- مکانیسم جذب حالت زمینه. 17

2-6-3- مکانیسم مشارکتی.. 18

2-7- لایه تبدیل فوتونی در سلول خورشیدی.. 18

2-7-1 مبدل بالا: 19

2-7- 2- مبدل پایین: 19

2-8- معرفی لایه­های تبدیل فوتونی پرکاربرد در سلول خورشیدی و اصول عملکرد آنها 20

2-8-1- مبدل بالای فسفر سدیم ایتربیم فلورئید جفت شده با اربیوم و ایتربیوم سه ظرفیتی ( ) 20

2-8-2- مبدل پایین فسفر لیتیوم گادالینیوم فلورئید جفت شده با یورپیوم سه ظرفیتی ( ) 22

2-9- بهره کوانتومی لایه مبدل بالا. 24

2-10- معایب لایه­های تبدیل فوتونی.. 25

2-11- اثرات ساختارهای پلاسمونیکی بر روی لایه­های تبدیل فوتونی.. 25

2-11-1- افزایش میدان الکترو مغناطیسی در ساختار فوتونی.. 26

2-11-2- افزایش شار فوتون فرودی در درون مبدل.. 27

2-11-3- افزایش چگالی حالت­های فوتونی و نرخ گذارهای تابشی.. 27

فصل سوم. 29

پلاسمون سطحی.. 29

3-1- معادلات ماکسول.. 30

3-2- موج تخت… 30

3-3- بردار پوئین­تینگ…. 31

3-4- مدل درود. 32

3-5- پلاسمون سطحی.. 33

3-6- الکترو مغناطیس پلاسمون سطحی پلاریتون در فصل مشترک دی الکتریک و فلز. 34

3-6-1-پلاسمون سطحی پلاریتون با قطبش TM در فصل مشترک دی الکتریک و فلز. 36

3-6-2- پلاسمون سطحی پلاریتون با قطبش TE در فصل مشترک دی الکتریک و فلز. 38

3-7- پلاسمون سطحی در حضور توری.. 40

3-8- عمق نفوذ میدان­ها در پلاسمون سطحی.. 40

فصل چهارم. 42

روش تحلیل دقیق موج جفت شده (RCWA) 42

4-1- مقدمه. 42

4-2- توری پراش یک بعدی.. 43

4-2-1- توری پراش یک بعدی تحت تابش موج تخت با قطبش TE.. 44

4-2-2- توری پراش یک بعدی تحت تابش موج تخت با قطبش TM… 49

4-3- توری پراش متناوب چندلایه­ای سطح برجسته یک بعدی.. 52

4-4- حل تحلیلی ضرایب بازتاب و عبوری فیلم نازک تک لایه­ای و چند لایه­ای.. 57

فصل پنجم.. 60

نتایج.. 60

5-1- اعتبار سنجی کد. 60

5-2- مدهای پلاسمون سطحی در سطح فلز و دی­الکتریک…. 64

5-3- به کارگیری مبدل بالا در انتهای سلول خورشیدی.. 71

5-4- بکارگیری نانو میله­های پلاسمونیکی در مبدل بالا. 73

5-5- محاسبه میانگین افزایش بهره مبدل بالا در حضور نانومیله­های پلاسمونیکی نقره 75

5-6- تأثیرچینش نانو میله­ها بر روی بهره مبدل.. 78

5-7- نتیجه گیری.. 80

5-8-پیشنهادات… 81

 

فهرست شکل­ها

 

عنوان

                                                      صفحه

 

شکل 1-1- ساختار شماتیکی پیوند نیم رسانای نوع n و p. 3

شکل 1-2- شماتیکی از کارکرد سلول خورشیدی 4

شکل 1-3- شماتیکی از انرژی اتلافی در پیوند نیم رسانای نوع n وp. 5

شکل 1-4- برانگیختگی در مواد معمول با تابش یک فوتون ب-برانگیختگی چندگانه با استفاده از نقاط کوانتومی با تابش یک فوتون. 6

شکل1- 5- اتصال سلول چند پیوندی الف- فوتون­های که انرژی آنها برابر یا بیشتر از گاف نواری نیم رسانا است جذب می­شود و ما بقی(قرمز) عبور می­کند. ب- در حالتی که سه تا سلول با گاف نواری متفاوت به هم متصل باشند تمامی انرژی جذب سلول­ها می­شوند. 7

شکل1-6- نحوه قرارگیری لایه تبدیل فوتونی در سلول خورشیدی، لایه آبی رنگ  معرف سلول خورشیدی و لایه قرمز رنگ لایه مبدل بالا و پایین را نشان می­دهد. 8

شکل 2-7- فرایند تبدیل پایین. 11

شکل2- 8- فرایند تبدیل بالا. 12

شکل2- 9- فرایند جابجایی به پایین. 12

شکل2-10- موقیعت عناصر خاکی نادر در جدول مندلیف. 13

شکل2-11- نمایشی از مکانیسم انتقال انرژی. الف) انتقال انرژی به شکل گسیل فوتون ب) انتقال انرژی به شکل غیر تابشی 15

شکل2- 12- مکانیسم تبدیل پایین. 16

شکل 2-13- مکانیسم­های تبدیل بالا. الف) مربوط به مکانیسم ETU شکل ب) مربوط مکانیسم جذب حالت زمینه  شکل ج و د) مربوط به مکانیسم مشارکتی است……………………………………………18

شکل 2-14- نحوه قرار گیری لایه­های تبدیل فوتونی در سلول خورشیدی و اصول عملکرد آنها را نشان می­دهد. 18

شکل2-15-عملکرد لایه مبدل بالا در سلول خورشیدی. 19

شکل 2-16-عملکرد لایه جابجایی به پایین و مبدل پایین در سلول خورشیدی. 20

شکل2- 17- تبدیل طیفی در فسفر سدیم ایتربیوم فلورئید در حضور ناخالصی اربیوم و ایتربیوم. 21

شکل2- 18- مبدل بالای فسفر سدیم ایتربیم فلورئید جفت شده با اربیوم سه ظرفیتی. منحنی و خطوط سیاه بیانگر انتقال انرژی است. یون ایتربیوم در ناحیه فروسرخ در طول موج 980 نانو متر برانگیخته می­شود و در دو مرحله انرژی به یون مجاور یعنی اربیوم انتقال می­دهد و باعث گسیل نور در ناحیه مرئی با رنگ­های مختلف می­شود 21

شکل2- 19- مبدل پایین فسفر لیتیوم گادالینیوم فلورئید کوپل شده با یورپیوم سه ظرفیتی. 23

شکل2-20- مکانیسم تبدیل پایین در فسفر لیتیوم گادالینیوم فلورید جفت شده با اربیوم و تربیوم. 24

شکل2- 21- به­کارگیری نانومیله­های طلا (Au) در مبدل Sio2. 26

شکل3- 22- نمایش نوسان دسته جمعی الکترون­های آزاد. الف- در فصل مشترک فلز و دی الکتریک. ب- در یک نانو ذره. 34

شکل3- 23- ساده­ترین هندسه برای انتشار امواج پلاسمون سطحی در فصل مشترک یک فلز و دی الکتریک. 36

شکل3- 24- ساختار بکار گرفته برای تحریک پلاسمون­ها به کمک توری. 40

شکل4- 25- توری پراش یک بعدی شامل سه ناحیه، ناحیه اول، ناحیه فرودی میدان با ضریب شکست ، ناحیه دوم ناحیه توری و ناحیه سوم ناحیه عبوری نور با ضریب شکست . 43

شکل 4-26- سطح مقطع توری چند لایه­های با سطح برجسته یک بعدی و معرفی پارامترها. 52

شکل 4-27- توری چند لایه­ای سطح برجسته یک بعدی تحت تابشTM. 53

شکل 5-28- فضای شبیه سازی شده در روش RCWA  شامل: موج تخت با دامنه واحد، محیط فرودی با ضریب شکست =1، محیط دوم با ضریب شکست=   =  با ضخامت 100نانومتر و محیط سوم با ضریب شکست =1. 61

شکل 4-29- مقایسه ضریب بازتابی حاصل از شبه سازی و جواب تحلیلی، برای تک لایه­ای از جنس سیلیکون با ضخامت 100نانومتر در محیط­های با ضریب شکست 1. 61

شکل 4-30- مقایسه ضریب عبوری حاصل از شبه سازی و جواب تحلیلی، برای تک لایه­ای از جنس سیلیکون با ضخامت 100نانومتر در محیط­های با ضریب شکست 1. 62

شکل 4-31- مقایسه ضریب بازتابی حاصل از شبه سازی و جواب تحلیلی، برای ساختاری شامل دو لایه، یکی از جنس سیلیکا و دیگری از جنس سیلیکون با ضخامت 100نانومتر در محیط­های با ضریب شکست 1. 62

شکل 4-32- مقایسه ضریب عبوری حاصل از شبه سازی و جواب تحلیلی، برای ساختاری شامل دو لایه، یکی از جنس سیلیکا و دیگری از جنس سیلیکون با ضخامت 100نانومتر در محیط­های با ضریب شکست 1. 63

شکل 4-33- مقایسه ضریب بازتابی حاصل از شبه سازی و جواب تحلیلی، برای ساختاری شامل چهار لایه به­ترتیب از جنس سیلیکا، سیلیکون، سیلیکا و نقره هر کدام با ضخامت  100نانومتر در محیطی با ضریب شکست 1. 63

شکل 4-34- مقایسه ضریب عبوری حاصل از شبه سازی و جواب تحلیلی، برای ساختاری شامل چهار لایه به­ترتیب از جنس سیلیکا، سیلیکون، سیلیکا و نقره هر کدام با ضخامت 100نانومتر در محیطی با ضریب شکست 1. 64

شکل 5-35- فضای شبیه سازی شده برای برانگیختگی مدهای پلاسمون سطحی در روش RCWA شامل: توری با دوره تناوب p، محیط فرودی با ضریب شکست =1، محیط دوم با ضریب شکست=    ،1=  با ضخامت 10نانومتر و محیط سوم با ضریب شکست   = با ضخامت 100نانومتر. 65

شکل 5-36- نمودار طول موج برانگیختگی مدهای پلاسمون سطحی بر حسب دوره تناوب نانو میله­ها در فصل مشترک هوا و نقره. 66

شکل 5-37- شکل توزیع شدت میدان مغناطیسی در ساختار پیشنهادی در عدم حضور نانومیله­های نقره به ازای طول موج­های 509، 526 ،544، 561 نانومتر. 66

شکل5- 38- توزیع شدت میدان مغناطیسی در ساختار پیشنهادی در حضور نانومیله­های نقره به ازای طول موج­های  الف) 509 نانومتر ب) 526 نانومتر  ج)544 نانومتر  د) 561 نانومتر با دوره تناوب به ترتیب، 480 ،500، 520 و540 نانومتر. 67

شکل5-39- فضای شبیه سازی شده برای برانگیختگی مدهای پلاسمون سطحی در روش RCWA در فصل مشترک سیلیکون و نانومیله­های نقره. محیط فرودی با ضریب شکست =  با ضخامت 100نانومتر، محیط دوم با ضریب شکست=    ، =  با ضخامت 10نانومتر و محیط سوم با ضریب شکست   = با ضخامت 100نانومتر. 68

شکل5-40- نمودار طول موج برانگیختگی مدهای پلاسمون سطحی بر حسب دوره تناوب نانو میله­ها در فصل مشترک سیلیکون و نقره. 68

شکل 5-41- شکل توزیع شدت میدان مغناطیسی در ساختار پیشنهادی در عدم حضور نانومیله­های نقره به ازای طول موجهای 890، 904 ،913، 917 نانومتر با دوره تناوب به ترتیب، 480 ،500، 520 و535 نانومتر. 69

شکل5-42- توزیع شدت میدان مغناطیسی در ساختار پیشنهادی در حضور نانومیله­های نقره به ازای طول موج­های  الف) 890 نانومتر ب) 904 نانومتر  ج)913 نانومتر  د) 917 نانومتر با دوره تناوب به ترتیب، 480 ،500، 520 و535 نانومتر. 69

شکل5-43- توزیع شدت میدان الکتریکی در فصل مشترک سیلیکون و نقره تحت تابش TE به ازای طول موج890 نانومتر  الف-در عدم حضور نانومیله ب- در حضور نانومیله­های نقره. 70

شکل5- 44- فضای شبیه سازی شده در روش RCWA. به کارگیری مبدل بالا در انتهای سلول خورشیدی. 71

شکل5-45- توزیع شدت میدان مغناطیسی در ساختار پیشنهادی به ازای طول موج­های 850، 980 و 1050 نانومتر الف) در عدم مبدل ب) در حضور مبدل. 72

شکل5-46- فضای شبیه سازی شده در روش RCWA. به کارگیری مبدل بالا در انتهای سلول خورشیدی و قرار گیری نانو میله­های پلاسمونیکی در مبدل. 73

شکل5-47- نمودار طول موج برانگیختگی مدهای پلاسمون سطحی بر حسب دوره تناوب نانو میله­ها. 74

شکل5-48- توزیع شدت میدان مغناطیسی در ساختار پیشنهادی به ازای طول موج­های 850، 980 و 1050 نانومتر در درون مبدل درحضور نانو میله­ها با دور تناوب به ترتیب 520، 600، 650 نانو متر. 74

شکل5-49- میانگین افزایش شدت میدان الکترومغناطیسی ساختار بالا میله­ها. 75

شکل5-50- جهت گیری متفاوت مولکول­های دو قطبی در مبدل بالا در حضور نانومیله­های نقره. 76

شکل5-51- جهت گیری مولکول مبدل بالا با ممنتوم  که با محور x زاویه  می­سازد. 77

شکل5-52- توزیع شدت میدان الکتریکی به ازای طول موج 980 نانومتر با دوره تناوب 600 نانو متر. الف- بدون در نظر گرفتن نانو میله ب- در حضور نانومیله 78

شکل5-53افزایش بهره مبدل بالا درگستره طول موجی بین 750 تا 1100 نانومتر. 78

شکل5-54- فضای شبیه سازی شده در روشRCWA  الف- در حضور یک نانو میله با ارتفاع، پهنا و دوره تناوب به ترتیب 70، 300، 600 نانومتر.ب- در حضور دو تا نانو میله به فاصله 300 نانومتر از هم که ارتفاع، پهنا و دورتناوب آن به ترتیب 300،70 و 1200 نانو متر می­باشد. 79

شکل5-55- توزیع شدت میدان مغناطیسی الف-در حضور یک نانو میله با ارتفاع، پهنا و دوره تناوب به ترتیب 70، 300، 600 نانومتر.ب- در حضور دو تا نانو میله به فاصله 300 نانومتر از هم که ارتفاع، پهنا و دورتناوب آن به ترتیب 300،70 و 1200 نانو متر می­باشد. 79

شکل5-56- فضای شبیه سازی شده در روشRCWA . در حضور دو تا نانو میله به فاصله 100 نانومتر از هم که ارتفاع، پهنا هریک از آن به ترتیب 500،70 و 450 نانو متر می-باشد. 80

شکل5-57- توزیع شدت میدان مغناطیسی در حضور دو نانومیله با ارتفاع 70 نانو متر و دوره تناوب 120ناومتر. 80

نقد و بررسی‌ها

هنوز بررسی‌ای ثبت نشده است.

اولین کسی باشید که دیدگاهی می نویسد “افزایش بهره سلول خورشیدی با بهره‌گیری از مکانیسم‌ تبدیل فوتونی”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

قبلا حساب کاربری ایجاد کرده اید؟
گذرواژه خود را فراموش کرده اید؟
Loading...
enemad-logo