عنوان

تحلیل و شبیه‌سازی سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مبتنی بر نانو سیم‌ها

Number

‭۱۳۸۹۲پ‬

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

تحلیل و شبیه‌سازی سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مبتنی بر نانو سیم‌ها

First Statement of Responsibility

/سینا صفار طبسی

Name of Publisher, Distributor, etc.

: مهندسی فناوریهای نوین

Date of Publication, Distribution, etc.

، ‮‭۹۳‬

Name of Manufacturer

، صفدری

Text of Note

چاپی

Dissertation or thesis details and type of degree

کارشناسی‌ارشد

Discipline of degree

مهندسی نانوفناوری گرایش نانوالکترونیک

Date of degree

‮‭۱۳۹۳/۱۱/۲۵‬

Body granting the degree

تبریز

Text of Note

با توجه به نقاط ضعف سلول‌های خورشیدی ساده در جذب ناکافی طیف نور خورشید و با توجه به پیش‌بینی‌های صورت گرفته در زمینه تاثیر نانوسیم‌ها در بالابردن میزان کارایی سلول خورشیدی برآن شدیم تا با شبیه‌سازی سلول‌های خورشیدی نانوسیمی پارامترهای سلول را بررسی کرده و صحت پیش‌بینی‌ها را مورد سنجش قراردهیم .لذا با کمک نرم افزار لومریکال و ‮‭FDTD Solution‬ برای حل معادلات ماکسول و با تعریف سلول واحد و شرایط مرزی، پروفایل‌های میدان و نیز جریان‌های خروجی برای سه نانوسیم فلزی) طلا، نقره و آلومینیوم (استخراج گردید .با تغییر ابعاد) شعاع و ارتفاع (و فاصله نانو سیم‌های فلزی از یکدیگر و با رصد تغییرات جریان و پروفایل میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی برای هر یک از فلزات فوق الذکر، پروسه برای دستیابی به نقطه بهینه انجام شد .در هر بخش یک و یا دو پارامتر تغییر کرده و بقیه مشخصات ثابت فرض می‌شدند، طبق شبیه‌سازی ها با تغییر میزان شعاع هر نانوسیم، حداکثر جریان برای طلا، نقره و آلومینیوم به ترتیب در شعاع ‮‭۷۰‬ ، ‮‭۷۱‬ و ‮‭۶/۷۲‬ نانومتر اتفاق می‌افتد .جریان ماکزیمم به ترتیب در حدود ‮‭(mA/cm۲) ۲۴‬ ، ‮‭۵/۲۲‬ و ‮‭۳۴/۱۹‬ بدست آمده است .در ادامه نتایج سوییپ بر روی شعاع و طول موج) به صورت همزمان (بر هردو فلز نقره و طلا، نشان از این داشت که با ارتفاع ‮‭۳۰۰‬ نانومتر طول موج‌های بالاتر نور خورشید و با ارتفاع ‮‭۴۰۰‬ نانومتر طول موج‌های پایین تر جذب می‌شوند .فلز آلومینیوم حساسیت خاصی نسبت به تغییر این دو ارتفاع نشان نداده و در هر دو ارتفاع تا حد خوبی طیف نور خورشید را پوشش میداد .نتایج تغییر فواصل نیز نشان از این مساله داشت که در فاصله حدود ‮‭۲۰۰‬ نانومتری نانوذرات از یکدیگر، جریان در مقادیر بالای خود قرار میگیرد .این مقدار برای سه فلز طلا، نقره و آلومینیوم به ترتیب در حدود ‮‭(mA/cm۲) ۱۶‬ در نانوسیم‌هایی با شعاع ‮‭۶۰‬ نانومتر، ‮‭(mA/cm۲) ۱۷‬ در نانوسیم‌هایی با شعاع ‮‭۶۰‬ نانومتر و ‮‭(mA/cm۲) ۲۵‬ در نانوسیم‌هایی با شعاع ‮‭۷۰‬ نانومتر ثبت گردید .نتایج حدودی تغییر ارتفاع نیز نشان میدهد برای نانو ذره طلا بیشترین جریان با مقدار ‮‭(mA/cm۲) ۲۰‬با شعاع ‮‭۷۰‬ و ارتفاع ‮‭۳۱۵‬ نانومتر، برای نانو ذرات نقره با مقدار ‮‭(mA/cm۲) ۲۱‬با شعاع ‮‭۷۰‬ و ارتفاع ‮‭۳۳۰‬ نانومتر و برای نانو ذره آلومینیوم با مقدار ‮‭(mA/cm۲) ۲۲‬با شعاع ‮‭۷۰‬ و ارتفاع ‮‭۳۰۰‬ نانومتر بدست خواهد آمد .در نهایت راندمان تبدیل سلول خورشیدی سیلیکونی با ضخامت ‮‭۸/۰‬ میکرومتر به این صورت استخراج گردید .برای سلول خورشیدی بدون نانوذره، با نانوذره طلا، با نانو ذره نقره و با نانوذره آلومینیوم جریان اتصال کوتاه به ترتیب‮‭۱۰‬ ،‮‭۹۹/۲۳‬ ، ‮‭۴۷/۲۲‬ و ‮‭۴۶/۱۹ (mA/cm۲)‬ ، ولتاژ مدار باز‮‭۶۸/۰‬ ،‮‭۷۱۸/۰‬ ، ‮‭۷۱۲/۰‬ و ‮‭۶۹۵/۰‬ ولت، فیل فاکتور‮‭۸۲‬ ،‮‭۸۶‬ ، ‮‭۸۵‬ و ‮‭۸۳‬ درصد و در نهایت بازده‮‭۵۷/۵‬ ،‮‭۸۱/۱۴‬ ، ‮‭۵۹/۱۳‬ و ‮‭۲۲/۱۱‬ درصد بدست آمد .مشاهده گردید که علی‌رغم استفاده از مواد اولیه کمتر در این گونه سلول‌ها، خروجی سلول‌خورشیدی افزایش پیدا کرده است .از نظر تئوری این اتفاق به علت قرارگیری فرکانس تشدید نانو ذره در ناحیه جذب سیلیکون، افزایش میدان موضعی در اطراف نانوسیم، افزایش پراکندگی نور فرودی و در نتیجه افزایش مسیر نور درون لایه اکتیو به منظور دستیابی به جریان بیشینه است .علاوه بر این، نانوسیم‌ها امکان حرکت آزادانه تر و دسته جمعی الکترون‌ها را نیز فراهم می‌کنند که در نهایت باعث کاهش بازترکیب‌های ناخواسته خواهد شد، نانوسیم‌ها نسبت به انعکاس، پلاریزاسیون نور و زاویه ی برخورد حساسیت کمتری نشان میدهند که محدودیت‌ها را کم خواهد کرد .از نگاه ساخت نیز استفاده از نانوسیم‌ها، امکان مواد اولیه‌ی و بستر کم هزینه را ایجاد می‌کنند چراکه نانوسیم‌ها می‌توانند روی بستر بی‌شکل، یا شبکه‌ی نامنظم به صورت هم‌بافته رشد کنند .علاوه بر این نانوسیم‌ها از طریق روش‌های ساخت بالا به پایین و پایین به بالا به اندازه‌ی کافی قابل کنترل ساخته می‌شوند و می‌توانند به صورت بالقوه هزینه‌های ساخت را پایین آورند

Text of Note

Due to inadequate absorption of sunlight by simple solar cells and according to the forecasts in context of nanowires influence in increasing solar cells efficiency, we decided to simulate a nanowire solar cell to check the parameters for verifying predictions. Therefore, we have used Lumercial and FDTD Solution to solve the Maxwell equations. Accordingly by design unit cell and boundary conditions, the profile field and the output current for the three metal Nanowires (gold, silver and aluminum) has been extracted. By changing the dimensions (height and radius) and the distance of metal nanowires from each other and with the observation of current and the changes of electrical and magnetic field profiles for each of the above metals, the process to achieve the optimum point has been continued. In each section one or two parameters have been changed and the rest were kept constant. According to the simulation with the change of the radius for each nanowire, the maximum current for gold, silver and aluminum in the radius of 70, 71 and 72.6 nm occurred respectively. Maximum current at about 24, 22.5 and 19.34 (mA/cm2) for gold, silver and aluminum has been obtained respectively. More results for sweep radius and the wavelength (concurrently) by both gold and silver metal, show that a height of 300 nm higher sunlights wavelength and with a height of 400 nm lower sunlights wavelength were absorbed. Aluminum did not show a special sensitivity toward changing of these two height and has a good coverage in Sunlight spectrum coverage in both. The results of changing distances betweem nanoparticles also show that maximum values at approximately 200 nm current has been obtained. This value for gold, silver and aluminum at approximately 16 (mA/cm2) on nanowires with radius of 60 nm, 17 (mA/cm2) on nanowire with a radius of 60 nm and 25 (mA/cm2) on nanowires with a radius of 70 nm has been recorded respectively. In the same way the approximate results for changing in height for gold, silver and aluminum nanoparticles, maximum currents were 20 (mA/cm2) with a radius of 70 and the height of 315 nm, for 21 (mA/cm2) with a radius of 70 and the height of 330 nm and 22 (mA/cm2) with a radius of 70 and the height of 300 nm respectively. Finally conversion efficiency for silicon solar cell with 0.8 micrometers has been obtained too. For the simple solar cell without nanoparticle, with the gold, silver and aluminium nanoparticles, short circuit current were 10, 23.99, 22.47 and 19.46 (mA/cm2) respectively, Meanwhile open circuit voltage were 0.68, 0.718, 0.712 and 0.695 v respectively, but fill factor were 82 , 86 , 85 and 83 respectively and finally efficiency were 5.57 , 14.81 , 13.59 and 11.22 respectively. Despite using less materials in these cells, It has been observed that solarcells output has increased.In terms of the theory this is due to matching resonance frequency and silicon absorption region cause increase in the localized field around the nanowire, enhancement of light scattering and thus optimization in the path of photon in solar cells active layer in order to achieve the maximum current. In addition, nanowires by providing possibility for more freely movement for mass of electrons and thus reduces the unwanted recombination. Nanowires showed less sensitivity in reflection, polarization and angle of lncident light thus has reduced the limiting factor. In terms of fabrication ,nanowire solar cell making possibility for using low-cost materials and substrate; because the nanowires can epitaxially grow on amorphous substrate or irregular grid. In addition nanowires can be fabricated through top-down or bottom-up methods, sufficiently controllable and also can potentially reduce fabricating cost

صفارطبسی، سینا

گل‌محمدی‌هریس، سعید، استاد راهنما

کیانی، غلامرضا، استاد مشاور

Public note

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی