%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

1 دیدگاه برای افزایش بهره سلول خورشیدی با بهره‌گیری از مکانیسم‌ تبدیل فوتونی

  1. cerca indicazioni per l’acquisto di dapagliflozin a Palermo, Italiar

    Thanks regarding supplying these kinds of awesome info.
    Sélection de amantadine à prix abordable en Belgique

دیدگاه خود را بنویسید

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