IR
T569
انگلیسی
IR
Non-equilibrium Quantum Modeling of Solar Cells: Quantum Effects at the Nanoscale Level and Beyond Researcher
[Thesis]
/نعمتی آرام، طاهره
: Facult des Lettres Persanes et Langues trangres
Print
Master of arts
, Dpartement de Langue et Littrature Franaises
A fundamental global challenge is to develop an inexpensive, stable and scalable technology for efciently harvesting solar photon energy and converting it into convenient forms. Photovoltaic energy conversion is attracting great attention such that several generations of solar cells have emerged. In a general statement, one can divide the existing types of solar cells into two distinct classes: conventional inorganic photovoltaics (IPVs), such as silicon p-n junctions, and excitonic solar cells (XSCs). The mechanistic distinction of IPVs and XSCs results in fundamental dierences in their photovoltaic behavior. According to the type of materials used in their structure, excitonic solar cells are classifed into two categories: dye-sensitized solar cells (DSC) and organic photovoltaics (OPV) developed in single-layer and bi-layer including planar and bulk heterojunction confgurations. Quantum dot solar cells (QDSC) are another type of solar cells that have a similar confgurations to DSCs or OPVs. While understanding the performance of excitonic solar cells has been a central eort of the scientifc community for many years, theoretical approaches facilitating the understanding of electron-hole interaction and recombination eects on the cell performance are needed. Necessarily, there should be a unifed, quantitative picture of the fundamental processes underlying solar energy conversion, including photon absorption, exciton diusion, exciton dissociation and charge separation as well as an understanding of their consequences on actual device properties. Semiclassical theories are inefcient tools to treat quantum phenomena in nano structured solar cells, and on the other hand, due to the Coulomb attraction between the photo generated carriers, the application of standard Non-Equilibrium Green Function (NEGF) formalism presents some difculties although some specifc methods allow to circumvent this problem. Therefore, in this thesis we develop a new quantum formalism, which is based on quantum scattering theory and on the LippmannSchwinger equation, to provide a comprehensive framework for understanding the fundamental processes taking place in the operation of excitonic solar cells. iEspecially we focus on aspects which have received little consideration in the past and we address the shortrange and longrange electronhole Coulomb interaction, electronhole recombination, the existence of extra evacuation channels, electron phonon coupling and polaronic bands formation. Of specifc interests of the methodology developed in this thesis is that both exciton pair creation and dissociation are treated in the energy domain, and therefore there is access to detailed spectral information, which can be used as a framework to interpret the cell performance. The basic idea of our methodology is shown through the example of two-level photovoltaic systems. Two-level systems, that are systems with essentially only two energy levels, are important kind of systems and quite eective when dealing with the transport phenomena, and device physics. Here, the two-level excitonic solar cells are considered in the permanent and transitory regimes of charge injection. The molecular photocells where the energy conversion process takes place in a single molecular donor-acceptor complex attached to electrodes are considered as a representative of XSCs in the permanent regime. As an example for the photovoltaic devices in the transitory regime, we consider the bulk heterojunction organic photovoltaic cells (BHJ OPVs) which are the most common approach to OPVs and consists of mixed donor and acceptor species that form interpenetrating connective networks. In these systems, the exciton created by the photon absorption in the donor side must reach frst the donoracceptor interface. From this moment only a transitory regime begins where the charges can be separated and injected in their respective leads. We demonstrate that the charge carrier separation is a complex process that is aected by dierent parameters, such as the strength of the electronhole interaction and the nonradiative recombination rate. Furthermore, depending on the cell structure, the electron-hole interaction can normally decrease or abnormally increase the cell efciency. The proposed model helps to understand the mechanisms of excitonic solar cells, and it can be used to optimize their yield.
حیات انسان وابسته به انرژی است .جمعیت جهان به سرعت در حال رشد است و بنابراین تقاضا برای منابع مختلف انرژی به طور چشم‌یری افزایش یافته است .مردم نیازمند منابع انرژی در دسترس، قابل اعتماد، ارزان و تمیز هستند .از زمان انقلاب صنعت، عمده انرژی جهان از سوخت های فسیل از جمله زغال سنگ، نفت و گاز طبیع تأمین شده است .با این حال، این منابع انرژی محدود هستند و عل رغم اثرات چشم‌یر آنها بر پیشرفت تکنولوژی، به همراه معایبی از جمله خطرات زیست محیط، گران قیمت بودن، باران اسیدی، اثرات مخرب بر سلامت انسان و عدم تجدیدپذیری هستند .بنابراین، ادامه ی تکیه بر آنها مم‌ن است پیامدهای زیست محیط و اجتماع ناگواری را به همراه داشته باشد .این وضعیت دانشمندان از سراسر جهان را برای توسعه منابع انرژی جای‌زین و ایجاد ی مرحله گذار در تولید انرژی واداشته است .خوشبختانه، توجه بسیاری به انرژی های تجدید پذیر، پایدار، ارزان و پاک شده است و انتظار م رود که آن ها بتوانند تقاضای تحولات مدرن را برآورده سازند .انرژی های تجدیدپذیر از جمله انرژی باد، انرژی خورشیدی، هیدرو ال‌تری و ...مزایای قابل توجه برای شرایط آب و هوایی و همچنین اقتصاد فراهم م کنند .با این وجود، آنها در بخش محدودی از تولید انرژی سهیم هستند .در میان آنها، انرژی خورشیدی از آن جایی که در دسترس، فراوان و بدون دی اکسید کربن است، توجهات زیادی را به خود معطوف ساخته است .چنان چه گزارش ها نشان م دهند انرژی که مناطق کویری تنها در عرض ۶ساعت از خورشید دریافت م کنند بیش از مصرف سالیانه انرژی در جهاناست .ارزیابی ها حاک از این واقعیت هستند که جهان استفاده مؤثر از انرژی خورشیدی را آغاز کرده است .ی از چالش های مهم جهان در حوزه انرژی، توسعه تکنولوژی ارزان قیمت، پایدار و کارآمد برای ب‌ارگیری مؤثر نور خورشید و تبدیل آن به ال‌تریسیته م باشد .در این راستا، تکنولوژی فوتوولتایی بسیار مورد توجه محققان و صنعتگران قرار گرفته است به طوری که نسل های مختلف از سلول های خورشیدی توسعه یافته اند .در ی بیان کل، انواع مختلف سلول های خورشیدی را م توان به دو گروه کل دسته بندی کرد :سلول های خورشیدی سنت( مبتن بر مواد معدن )و سلول های خورشیدی اکسایتون .م‌انیسم عمل‌رد مختلف این دو دسته سلول منجر به تفاوت های اساس در رفتار فوتوولتایی آنها م گردد .بر اساس مواد استفاده شده در ساختار آن ها، سلول های خورشیدی اکسایتون را م توان به دو گروه سلول های خورشیدی رنگینه حساس و سلول های خورشیدی آل توسعه یافته در ش‌ل تک لایه و دو لایه شامل ساختار دووجه و هتروجانکشن طبقه بندی نمود .در حالی‌ه در ط چندین سال اخیر، درک عمل‌رد سلول های خورشیدی اکسایتون مورد توجه جامعه علم بوده است هنوز نیاز مبرم برای گسترش تئوری هایی که درک نقش اندرکنش و بازترکیب ال‌ترون‌حفره را تسهیل کنند، وجود دارند .لزوما، باید تصویری کم از فرایندهای اساس تبدیل انرژی خورشیدی، از جمله جذب فوتون، انتشار اکسایتون، تفکی و جدایی اکسایتون و همچنین درک پیامدهای آن ها بر عمل‌رد دستگاه وجود داشته باشد .تئوری های نیمه کلاسی ابزار ناکارامدی برای بررس پدیده های کوانتوم در سلول های نانوساختاری هستند و از سوی دی‌ر به سبب جاذبه کولن بین حاملین بار، استفاده از تئوری تابع گرین غیرتعادل پیچیدگ های زیادی را به همراه دارد .بنابراین به منظور فراهم آوردن چهارچوب جامع از درک فرآیندهایی که در عمل‌رد سلول های خورشیدی اکسایتون به وقوع م پیوندند، در این پایان نامه ما ی تئوری جدیدی را ارائه م دهیم که بر پایه نظریه پراکندگ کوانتوم و معادله لیپمن‌شوینگر است .تمرکز بر روی جنبه هایی است که در گذشته کمتر مورد توجه قرار گرفته اند از جمله :آثار برهم‌نش کولن کوتاه‌برد و بلندبرد ال‌ترون‌حفره، بازترکیب ال‌ترون‌حفره، وجود کانال های اضاف خروج بار، اندرکنش ال‌ترون‌فونون و تش‌یل باندهای پلارون .از ویژگ های جالب این تئوری جدید آنست که تولید و تفکی اکسایتون ها در فضای انرژی مورد بررس قرار م گیرد و بنابراین دسترس به اطلاعات طیف وجود دارد که م تواند به عنوان چهارچوبی برای درک عمل‌رد سلول مورد استفاده قرار گیرد .ایده اصل این تئوری در قالب مثال هایی از سلول های خورشیدی دو ترازی نشان داده شده است .ما نشان م دهیم که فرآیند جدایش حاملین بار پروسه ای پیچیده است که توسط پارامترهای مختلف از جمله شدت برهم‌نش ال‌ترون‌حفره، کوپلینگ ال‌ترون‌فونون و همچنین آهنگ بازترکیب متأثر م گردد .علاوه بر این، تحت تأثیر پارامترهای سلول، برهم‌نش ال‌ترون‌حفره م تواند به صورت عادی منجر به کاهش و به صورت غیرعادی منجر به افزایش بازده سلول گردد .این مدل درک عمل‌رد سلول های خورشیدی را تسهیل م سازد و م تواند برای بهینه کردن عمل‌رد سلول ها مورد استفاده قرار گیرد.فهرست مطال
fa
مدل بندی کوانتوم غیرتعادل سلول های خورشیدی :آثار کوانتوم در مقیاس نانو و فراتر از آن
سلول خورشیدی اکسایتون، مدلبندی، نظریه کوانتوم پراکندگ، آثار کوانتوم
Nematiaram, Tahereh, Tahereh Nematiaram
Asgari, Prof, supervisor
Mayou, Didier, supervisor
advisor
ایران
پایان نامهQC,21,.N3,1396
Non-equilibrium Quantum Modeling of Solar Cells: Quantum Effects at the Nanoscale Level and Beyond Researcher
محرمانه
فوق سری
thar.pdf
49384095
پ عباسپور
متن
0
T569
سیاه و سفید
Location: central library
old catalog
p
TL
1
a
Y
