عنوان

طراحی وشبیه سازی سلول خورشیدی با استفاده از نانو ساختارهای پلیمری

پ۲۸۶۲۰

per

طراحی وشبیه سازی سلول خورشیدی با استفاده از نانو ساختارهای پلیمری

حسین فرهنگیان

برق و کامپیوتر

۱۳۹۹

۱۱۹ص.

سی دی

کارشناسی ارشد

مهندسی نانوتکنولوژی گرایش مهندسی نانوالکترونیک

۱۴۰۰/۰۲/۲۹

سلول خورشیدی دستگاهی است که قابلیت تبدیل انرژی خورشید را به انرژی الكتریكی با استفاده از اثر فوتوولتایی دارد. در سالهای اخیر، بدلیل توسعه نسل‌های مختلف سلول‌های خورشیدی، انواع گوناگونی از آنها، شامل سلول‌های خورشیدی سیلیكونی، حساس شده به رنگدانه، نقاط کوانتومی، آلی و نسل‌های جدید ساخته شده‌اند. در میان انواع مختلف این سلول‌ها، نوع پلیمری آن به دلیل انعطافپذیری، وزن سبک، امكان طراحی مواد به‌کار رفته در ساختار آنها، ضریب جذب زیاد، فرایندپذیری در حالت محلول و فنون ساخت ارزان‌قیمت توجه بسیاری را به خود جلب کرده‌اند. در این پایاننامه، سلول‌های خورشیدی پلیمری و پلیمرهای رسانای مزدوج که در ساختار لایه فعال به‌کار گرفته می‌شوند، همراه با ویژگی‌های پلیمرهای مزدوج، و انواع مواد مختلف آلی که در این نوع سلول‌های خورشیدی بکارگرفته می‌شوند، معرفی می‌شوند. در ادامه نیز، به بررسی پیشرفت‌های اخیر در معماری ساختار لایه فعال این دستگاه‌ها، بهمنظور افزایش بازده تبدیل انرژی پرداخته می‌شود. در پایان، روشهای مشخصه‌یابی این دستگاه‌ها و مهمترین پارامترهای آنها بیان می‌شوند. انواع روش های آنالیز و تحلیل عددی سلول های خورشیدی آلی بیان شده و مبانی و روش های شبیه سازی الکتریکی و نوری این نوع ساختارها بررسی شده‌اند. انواع مختلفی از سلول های خورشیدی پلیمری با ساختارهای متفاوت شبیه سازی شده و کدنویسی و روش تحلیل هرکدام قدم به قدم توضیح داده شده است و پارامترهای کلیدی سلول خورشیدی بدست آمده است. همچنین با سوییپ ضخامت لایه‌ی فعال و جنس لایه ی فعال ساختار بهینه از نظر ضخامت و جنس ماده ی آلی پیدا شده است که در آن ضخامت و با استفاده ار آن ماده‌ی مورد نظر سلول خورشیدی بیشترین بازده و جریان اتصال کوتاه را دارا است. تحلیل الکتریکی در نرم افزار سیلواکو ATLAS انجام شده و تحلیل نوری سلول ها بروش FDTD انجام شده است. مبانی و معادلات حاکم بر هر دو روش مورد تحلیل قرار گرفته است و نرم افزار سیلواکو در فصل 3 بصورت جامع توضیح داده شده و کدهای مربوط به شبیه سازی سلولهای خورشیدی پلیمری توضیح داده شده اند. در فصل 4 به بررسی انواع مختلف سلولهای خورشیدی و تحلیل الکتریکی و نوری آنها پرداخته شده و با عوض کردن لایه های مختلف و ضخامت ساختار تلاش شده تا بازده سلول خورشیدی افزایش پیدا کند. روش تحلیل الکتریکی و نوری و شبیه سازی انواع مختلف سلول خورشیدی پلیمری که یکی از اهداف این پایاننامه است و کدنویسی در محیط نرم افزار سیلواکو در این فصل آورده شده است.

A solar cell is a device capable to converts solar energy into electrical energy using a photovoltaic effect. In recent years, due to the development of different generations of solar cells, a variety of them have been developed, including silicon, pigment-sensitized, quantum dots, organic dots, and new generations of solar cells. Among the different types of these cells, its polymer type has attracted a lot of attention due to its flexibility, lightweight, the possibility of designing materials used in their structure, high adsorption coefficient, processability in solution, and cheap manufacturing techniques. In this thesis, polymer solar cells and conjugated conductive polymers used in the structure of the active layer are introduced, along with the properties of conjugated polymers, and the different types of organic materials used in this type of solar cell. In the following, recent developments in the architecture of the active layer structure of these devices are reviewed to increase the energy conversion efficiency. Finally, the characterization methods of these devices and their most important parameters are described. Various methods of analysis and numerical analysis of organic solar cells have been described and the basics and methods of electrical and optical simulation of such structures have been investigated. Different types of polymer solar cells with different structures have been simulated and the coding and analysis methods of each have been explained step by step and the key parameters of the solar cell have been obtained. Also, with the swipe of the thickness of the active layer and the material of the active layer, the optimal structure in terms of thickness and material of organic matter has been found, in which the thickness and using the desired material of the solar cell has the highest efficiency and short circuit current. The electrical analysis is performed in Silvaco ATLAS software and optical analysis of organic solar cells is accomplished by FDTD method. The principles and equations governing both methods are analyzed and Silvaco software is comprehensively explained in Chapter 3 and the codes related to the polymer solar cell simulation are explained. Chapter 4 examines the different types of solar cells and their electrical and optical analysis, and by changing the different layers and thickness of the structure, an effort is made to increase the efficiency of the solar cell. Electrical and optical analysis methods and coding in the Silvaco software environment are given in this chapter.

Design and simulation of polymer nanostructure based solar cells

‏فرهنگیان،

حسین

تهیه کننده

کیانی،

حامد باغبان،

غلامرضا

استاد راهنما