عنوان :  شبیه ­سازی عددی سلول خورشیدی مبتنی بر نانو نوار گرافن با بهره گیری از روش تابع گرین غیرتعادلی

دانشگاه شاهد

دانشکده فنی و مهندسی

پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد مهندسی برق-الکترونیک

عنوان:

 شبیه­ سازی عددی سلول خورشیدی مبتنی بر نانو نوار گرافن با بهره گیری از روش تابع گرین غیرتعادلی(NEGF)

استاد راهنما:

دکتر کامیار ثقفی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
فهرست مطالب:
فهرست جدول‌ها………………………… ‌د
فهرست شکل‌‌ها………………………… ‌ه
فصل 1- مقدمه…………………………1
1-1-  پیشگفتار………………………… 1
1-2-    تاریخچه ی سلول های خورشیدی………………………….. 1
1-3-    انواع سلول های خورشیدی………………………….. 2
1-3-1- نسل اوّل سلول های خورشیدی (سلول های کریستالی سیلیکون)……… 2
1-3-1-1-  فرآیند رشد کریستال های نیمه هادی ها………………………… 2
1-3-1-2-سلول های خورشیدی کریستالی سیلیکونی………………………….. 4
1-3-2-  نسل دوم سلول های خورشیدی (سلول های لایه نازک)………………………… 4
1-3-2-1-  سلول های خورشیدی لایه نازک سیلیکون………………………….. 5
1-3-2-2-  سلول های خورشیدی لایه نازک کلکوپریت…………………………… 5
1-3-2-3-  سلول های خورشیدی لایه نازک کادمیم تلوراید…………………………. 6
1-3-2-4-  سلول های خورشیدی لایه نازک ارگانیک…………………………… 7
1-3-3-  نسل سوم سلول های خورشیدی………………………….. 8
1-3-3-1-  سلول های خورشیدی با پیوند چندگانه…………………………. 9
1-3-3-2-  سلول های خورشیدی با  طیف های ورودی چندگانه…………………. 12
1-3-3-2-1- سلول ترموفوتوولتی …………………………12
1-3-3-2-2- سلول ترموفوتونی  ………………………… 12
1-3-3-3-  سلول های خورشیدی با مسیرهای جذب چندگانه………………………. 13
1-3-3-4-  سلول های خورشیدی با سطوح انرژی چندگانه……………………….. 14
1-3-3-5-  سلول های خورشیدی با دماهای چندگانه…………………… 14
1-3-4-     سلول های خورشیدی نانوساختار ……………………….15
1-3-5-     بهره گیری از نانوسیم ها در سلول های خورشیدی……………….. 15
1-3-5-1-  معرفی نانوسیم…………………….15
1-3-5-2-  ویژگی های الکتریکی و نوری نانوسیم………………………. 16
1-3-5-3-  سلول های خورشیدی مبتنی بر نانوسیم………………. 17
1-3-6-      بهره گیری از نانولوله در سلول های خورشیدی………….. 20
1-3-6-1-   معرفی نانولوله ………………………. 20
1-3-6-2-   ویژگی های الکتریکی و نوری نانولوله ها………………… 21
1-3-6-3-   سلول های خورشیدی مبتنی بر نانولوله…………………… 22
1-4-    بهره گیری از گرافن در سلول های خورشیدی……………………. 25
1-5-    ساختار پایان نامه…………………………. 25
فصل 2-   گرافن: ویژگی ها، کاربردها و روش های ساخت…………… 26
2-1-    مقدمه…………………………26
2-2-    ویژگی های گرافن………………………….. 26
2-2-1-     ساختار اتمی گرافن………………………….. 26
2-2-2-     ویژگی های الکتریکی والکترونیکی گرافن………………………….. 27
2-2-2-1-  کریستال دو بعدی………………………… 27
2-2-2-2-  ساختار نواری مخروطی………………………….. 27
2-2-2-3-  روش های ویژه جهت ایجاد گاف انرژی………………………….. 29
2-2-2-4-  وابستگی جرم سیکلوترون به جذر چگالی حامل……………….. 29
2-2-2-5-  حامل های بار بدون جرم (فرمیونهای دیراک)……………………… 30
2-2-2-6-   حداقل رسانایی غیر صفر…………………………. 31
2-2-2-7-  ترابرد بالیستیک …………………………31
2-2-2-8-  اثر هال کوانتومی غیر معمول و پدیده ی فاز بری………………. 33
2-2-2-9-  اثر میدان آمبایپلار ( آلایش الکتروستاتیک )………………………… 33
2-2-3-     ویژگی های نوری گرافن………………………….. 34
2-3-    روش های ساخت گرافن………………………….. 35
2-4-     نانو نوارهای گرافن………………………….. 36
فصل 3-   روش تابع گرین غیرتعادلی و کاربرد آن در شبیه سازی ادوات نیمه هادی…… 39
3-1-    مقدمه …………………………39
3-2-    مفهوم ریاضی تابع گرین………………………….. 39
3-3-    روش تابع گرین غیرتعادلی(NEGF)………………………… 41
3-3-1-     مفاهیم مقدماتی………………………….. 41
3-3-2-     بهره گیری از NEGF برای شبیه سازی ترابرد بالیستیک(بدون تلفات)……………… 44
3-3-3-     بهره گیری از روش NEGF در شبیه سازی ترابرد غیر بالیستیک(تلفاتی) ……………46
3-3-3-1-  درهمکنش الکترون- الکترون………………………….. 46
3-3-3-2-  درهمکنش های الکترون- فونون و الکترون-فوتون………………………….. 47
3-3-4-     پایه های نمایش در روش NEGF (فضای واقعی و فضای مود)…………… 49
فصل 4-   روش شبیه سازی………………………….. 50
4-1-    مقدمه…………………………50
4-2-    فلوچارت کامل شبیه سازی………………………….. 50
4-3-    تشکیل همیلتونین………………………….. 52
4-3-1-     همیلتونین در فضای حقیقی………………………….. 53
4-3-2-     تبدیل همیلتونین به نمایش در فضای مود…………………………. 54
4-4-    خود-انرژی ناشی از اتصالات…………………………… 57
4-5-    خود-انرژی ناشی از درهمکنش الکترون- فوتون………………………….. 58
4-6-    چالش های محاسباتی در شبیه سازی عددی………………………….. 59
4-7-    راه حل های ممکن جهت عبور از چالش های محاسباتی…………….. 60
فصل 5-   نتایج شبیه سازی………………………….. 61
5-1-    مقدمه………………………… 61
5-2-    نتایج شبیه سازی………………………….. 61
فصل 6-   پیشنهادات…………………………… 64
6-1      مطالعه و مطالعه ی دقیق بر روی راه حل های شبیه سازی عددی سلول های خورشیدی نانوساختار با بهره گیری از روش NEGF  و بهره بردن از تکنیک های تسریع محاسبات مانند برنامه نویسی موازی به مقصود دست یابی به نتایج قابل قبول علمی…….64
6-2      شبیه سازی سلول خورشیدی مبتنی بر گرافن با بهره گیری از ساختار ابر-شبکه (به روشه ای مختلف)………..64
6-3       طراحی مدل جدیدی از IB-QD-SC با بهره گیری از ساختار ابر شبکه گرافن………………………….. 64
6-4      شبیه سازی سلول های خورشیدی و آشکارسازهای نوری پلاسمونیک با بهره گیری از گرافن و طلا (با کمک Comsol)……………..64
6-5      طراحی سلول خورشیدی با جذب نور بسیار بالا به وسیله ی گرافن چند لایه به همراه لایه های میانی شفاف (مثلا H-BN)…………64
فهرست مراجع………………………….. 65
چکیده:
ما در این پایان ­نامه، برای اولین بار از نانو نوار گرافن به عنوان لایه­­ی فعال یک سلول خورشیدی بهره گیری نموده­ایم. برای شبیه­سازی این سلول از روش تابع گرین غیرتعادلی در فضای مود بهره برده و­ محاسبه­ی اثر درهمکنش­های الکترون-فوتون به وسیله­ی تقریب خود سامان­ ده بورن صورت گرفته ­می باشد. برای بالا بردن سرعت شبیه­سازی، پروفایل پتانسیل به دست آمده در حالت تاریکی را برای شبیه ­سازی­های تحت تابش به­کار برده­ و بدین ترتیب از حل مجدد معادله­ی پواسون به صورت کوپل با معادله­ی شرودینگر پرهیز نموده­ایم. علاوه­براین در محاسبه خود-انرژی ناشی از درهمکنش الکترون- فوتون تقریب محلی(قطری) را به کار برده­ ایم.
فصل اول: مقدمه
1-1- پیشگفتار
انرژی خورشیدی منحصربه‌فردترین منبع انرژی تجدید پذیر در جهان می باشد و منبع اصلی تمامی انرژی‌های موجود در زمین می‌باشد. این انرژی به صورت مستقیم و غیرمستقیم می­تواند به اشکال دیگر انرژی تبدیل گردد[[i]].
به گونه کلی انرژی متصاعد شده از خورشید در حدود  3.8e23 کیلووات در ثانیه می‌باشد. ایران با داشتن حدود ۳۰۰ روز آفتابی در سال جزو بهترین کشورهای دنیا در زمینه پتانسیل انرژی خورشیدی می‌باشد. با در نظر داشتن موقعیت جغرافیایی ایران و پراکندگی روستاهای کشور، بهره گیری از انرژی خورشیدی یکی از مهم­ترین عواملی می باشد که بایستی مورد توجه قرار گیرد. بهره گیری از انرژی خورشیدی یکی از بهترین راه های برق رسانی و تولید انرژی در مقایسه با دیگر مدل­های انتقال انرژی به روستاها و نقاط دور افتاده در کشور از نظر هزینه، حمل‌نقل، نگهداری و عوامل مشابه می‌باشد[1].
با در نظر داشتن استانداردهای بین‌المللی اگر میانگین انرژی تابشی خورشید در روز بالاتر از ۳.۵ کیلووات ساعت در مترمربع باشد بهره گیری از مدل­های انرژی خورشیدی نظیر کلکتورهای خورشیدی یا سیستم‌های فتوولتائیک بسیار اقتصادی و مقرون به صرفه می باشد. این در حالی می باشد که در بسیاری قسمت­های ایران، انرژی تابشی خورشید بسیار بالاتر از این میانگین بین‌المللی می‌باشد و در بعضی از نقاط حتی بالاتر از ۷ تا ۸ کیلووات ساعت بر مترمربع اندازه­گیری شده می باشد اما بطور متوسط انرژی تابشی خورشید بر سطح سرزمین ایران حدود ۴.۵ کیلو وات ساعت بر مترمربع می باشد[1].
2-1- تاریخچه سلول های خورشیدی
اثر فوتوولتاییک اوّلین بار در سال 1839 توسط بکویه­رل[1]، فیزیکدان فرانسوی، به صورت تجربی نشان داده گردید[[i]] . پس از آن چارلز فریتز[2] در سال 1883 توانست اوّلین سلول خورشیدی حالت جامد را بسازد. او نیمه­هادی سلنیم را با لایه­ی نازکی از طلا پوشانده بود تا بتواند یک پیوند شکل دهد و با این کار توانسته بود به بازده 1% دست یابد. در سال 1946 راسل اُهل[3] موفّق گردید یک سلول خورشیدی با پیوند مدرن بسازد.
با این حال اوّلین سلول خورشیدی کاربردی[4] در سال 1954، در آزمایشگاه بل[5]، ساخته گردید. چاپین[6]، فولر[7] و پیرسون[8] برای ساخت این سلول از یک پیوند p-n نفوذی سیلیکون[9] بهره گیری کرده توانستند به بازده 6% دست یابند[2].
سلول­های پیشرفته­ی اوّلیه با بهره گیری از ویفر[10]های سیلیکن و ژرمانیوم به دست آمدند. پس از آن سلول­هایی ساخته شدند که در آن­ها از لایه­های نازک[11] سیلیکن یا دیگر نیمه­هادی­ها به جای ویفر بهره گیری می­گردید. هم اکنون به علاوه دو نوع سلول خورشیدی از سلول­های متعدّد دیگری زیرا سلول­های پلیمری، ارگانیک، رنگ دانه­ای( حسّاس شده با رنگ[12])، چند پیونده و … بهره گرفته می­گردد.
در این فصل انواع مهم سلول­های خورشیدی، که در سه نسل دسته­بندی شده­اند، به شکل مختصر مورد مطالعه قرار می­گیرند: نسل اوّل (شامل سلول­های کریستالی سیلیکون[13]) نسل دوم( شامل سلول­های گوناگونی که در آن­ها از لایه ­های نازک نیمه­هادی بهره گیری می­گردد) و نسل سوم( شامل سلول­هایی که طرّاحی آن­ها به گونه ایست که می­توانند بازدهی فراتر از حدّ شاکلی- کوییزر دست یابند).
3-1- انواع سلول های خورشیدی
1-3-1- نسل اوّل سلول های خورشیدی (سلول های کریستالی سیلیکون)
در این دسته از سلول­های خورشیدی، از ویفرهای سیلیکون به عنوان نیمه­هادی فعّال بهره گیری می­گردد. سیلیکون با گاف انرژی ev1.12 مادّه­ای بسیار مناسب برای جذب طیف خورشید به حساب می­آید. همچنین از نظر فراوانی در طبیعت دومین عنصر به شمار می­رود. این به آن معناست که دست یابی به سیلیکون خام هزینه­ی چندانی نخواهد داشت و نگرانی­ای هم برای اتمام منابع آن وجود ندارد.
برای دست­یابی به هدایت بالا، افزایش طول عمر سلول و جلوگیری از افت بازده( بر اثر بازترکیب حامل­ها) سیلیکون را به صورت تک کریستال و با کیفیت بالا مورد بهره گیری قرار می­دهند. گاهی نیز برای کاهش هزینه ­ها از سیلیکون چند- کریستال بهره گرفته می­گردد.
1-1-3-1- فرآیند رشد کریستال­های نیمه­ هادی ها
شرایط رشد بلور( کریستال)های نیمه­هادی که برای ساخت قطعات الکترونیک بهره گیری می­گردد بسیار دقیق­تر و مشکل­تر از شرایط سایر مواد می باشد. به علاوه که نیمه­هادی­ها بایستی به صورت کریستالی در دسترس باشند، بایستی خلوص آن­ها نیز در محدوده­ی بسیار ظریفی کنترل گردد. مثلا تراکم بیشتر ناخالصی­های مورد بهره گیری در بلورهای Si امروزی کمتر از 1 قسمت در ده میلیارد می باشد. چنین درجاتی از خلوص مستلزم دقّت بسیار در بهره گیری و به کارگیری مواد در هر مرحله از فرآیند ساخت می باشد[[i]].
نیمه­هادی­های تک عنصری Si و Ge از تجزیه­ی شیمیایی ترکیب­هایی مانند GeO2، SiCl4 و SiHCl3 به دست می­آیند. پس از جداسازی و انجام مراحل اوّلیه­ی خالص­سازی، ماده­ی نیمه­هادی را ذوب کرده و به صورت شمش­[1]هایی در می­آورند. Si یا Ge به دست آمده بعد از مرحله­ی بازپخت[2] به صورت چند بلوری می باشد.
در صورت عدم کنترل فرآیند سرمایش، نواحی بلوری دارای جهت­های کاملا تصادفی خواهند بود. برای رشد بلور فقط در یک جهت، لازم می باشد که کنترل دقیقی در مرز بین مادّه­ی مذاب و جامد، در هنگام سرد کردن، انجام پذیرد[3].
یک روش متداول برای رشد تک-کریستال­ها، سرد کردن انتخابی ماده­ی مذاب می باشد به گونه­ای که انجماد در راستای یک جهت بلوری خاص انجام پذیرد. برای مثال در نظر بگیرید یک ظرف از جنس سیلیکا حاوی Ge مذاب باشد؛ می توان طوری آن را از کوره بیرون آورد که انجماد از یم انتها شروع شده و به تدریج تا انتهای دیگر پیش رود. با قرار دادن یک دانه[3]­ی بلوری کوچک در نقطه­ی شروع انجماد می توان کیفیت رشد بلور را بالا برد. اگر سرعت سرد کردن به دقّت کنترل گردد و مکان فصل مشترک جامد و مذاب به آهستگی در طول مذاب حرکت داده ش.ود، اتم­های ژرمانیوم همراه با سرد شدن بلور به صورت شبکه­ی الماسی آرایش می­یابند. شکل بلور به دست آمده توسط ظرف ذوب تعیین می­گردد. Ge، GaAs و دیگر بلورهای نیمه­هادی معمولا با این روش، که روش بریجمن[4] افقی نامیده می­گردد، رشد داده می­شوند. در شکل دیگری از این روش، ناحیه­ی کوچکی از ماده­ی بلوری ذوب شده و سپس ناحیه­ی مذاب طوری به طرف دیگر حرکت داده می­گردد که در پشت ناحیه­ی مذاب و در هنگام حرکت آن یک بلور تشکیل گردد[3].
یکی از معایب رشد بلور در ظرف مذاب این می باشد که ماده­ی مذاب با دیواره­های ظرف تماس پیدا می­کند و در نتیجه­ در هنگام انجماد تنش­هایی ایجاد می­گردد که بلور را از حالت ساختار شبکه­ای کامل خارج می­سازد. این نکته به ویژه در مورد Si که دارای نقطه­ی ذوب بالایی بوده و تمایل به چسبیدن به مواد ظرف ذوب را دارد، مشکلی جدی می باشد. یک روش جایگزین، که این مشکل را برطرف می­کند، شامل کشیدن بلور از مذاب در هنگام رشد آن می باشد. در این روش یک دانه­ی بلوری در داخل ماده­ی مذاب قرار داده شده و به آهستگی بالا کشیده می­گردد و به بلور امکان رشد بر روی دانه را می­دهد. معمولا در هنگام رشد، یلور به آهستگی چرخانده می­گردد تا علاوه بر هم­زدن ملایم مذاب، از هرگونه تغییرات دما( که منجر به انجماد غیر ممکن می­گردد) متوسط گیری کند. این روش، که روش چوکرالسکی نامیده می­گردد، به شکل گسترده­ای در رشد Si،  Ge و بعضی از نیمه­هادی­های مرکب بهره گیری می­گردد[3].
[1] . Ingot
[2] . Annealing
[3] . Seed
[4] . Bridgman
[i] . بن. جی. استریتمن، غلامحسن روئین تن و سعید صمدی(مترجم)، « فیزیک الکترونیک»، نشر دانشگاه علم و صنعت ایران، چاپ ششم، 1387 .
[1] . Becquerel
[2] . Charles Fritts
[3] . Russell Ohl
[4] . Practical
[5] . Bell Laboratory
[6] . Daryl Chapin
[7] . Calvin Souther Fuller
[8] . Gerald Pearson
[9] . Diffused Silicon p-n Junction
[10] . Wafer
[11] . Thin Films
[12] . Dye Sensitized
[13] . Crystalline Silicon Solar Cells
[i] .  http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell
[i].  http://www.irses.ir
تعداد صفحه : 81
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   سمینار ارشد مهندسی برق الکترونیک: پنهان شکنی تصاویر با استفاده از شبکه های عصبی

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

پشتیبانی سایت :        ****       serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  **** ***

دسته‌ها: مهندسی برق