توضیحات
ارتقاء جذب در سلولهای خورشیدی با استفاده از پلاسمونیک
چکیده
پلاسمونیک شاخه‌ای از نانوفتونیک است که به مطالعه برهم‌کنش نور با ساختارهای فلزی می‌پردازد. این برهم‌کنش باعث ایجاد نوسانات تجمعی الکترون‌های باند ظرفیت فلز می‌شود که به آن‌ها پلاسمون می‌گویند. بسامدهای این نوسانات منطبق بر بسامد پلاسمای ماده است. اگر این نوسانات جمعی در یک نانوذره اتفاق افتد، پلاسمونهای سطحی محلی و در صورتی که در فصل‌مشترک یک فلز و دی‌الکتریک رخ دهد، پلاسمونهای سطحی نامیده می‌شوند. چالش اصلی در پلاسمونیک، تزویج نور به پلاسمونهای سطحی است. در این پایان‌نامه، پس از مروری مختصر بر تئوری پلاسمون‌ها و مشکلات تزویج نور به پلاسمونهای سطحی، ساختاری پیشنهاد شده‌است که می‌تواند با استفاده از آرایه‌ای دوبعدی از نانوذرات، نور را به پلاسمونهای سطحی در یک لایه نازک فلزی تزویج کند. سپس راه‌کاری مشابه در یک سلول خورشیدی لایه‌نازک به کار رفته و ساختاری جدید پیشنهاد شده‌است که قادر است با پراکنده‌سازی نور به داخل سلول‌خورشیدی و تزویج آن به پلاسمونهای سطحی، میزان جذب نور در سلول خورشیدی را افزایش دهد. در این ساختار نیز از پلاسمونهای سطحی محلی در نانوذرات برای تزویج نور به پلاسمونهای سطحی در نانومیله‌های فلزی که درون سلول‌خورشیدی قرار گرفته‌اند، استفاده شده است. در ساختار پیشنهادی نانوذرات کروی از جنس آلومینیوم در یک آرایه دوبعدی بر روی لایه ضدبازتاب ITO قرار دارند. نتایج شبیه‌سازی نشان‌می‌دهد که در صورت استفاده از سیلیکون آمورف هیدروژن‌دار برای لایه فعال و بستره‌ای از جنس نقره می‌توان میزان جذب در سلول خورشیدی را تا 28 درصد افزایش داد.
۱ مقدمه ۱ ۲ تئوری الکترومغناطیسی پلاسمونیک ۳ ۲-۱ پلاسمونهای سطحی محلی ۴ ۲-۲ پلاسمونهای سطحی ۶ ۲-۳ پلاسمونهای سطحی متقارن و پادمتقارن ۸ ۲-۴ روش‌های تزویج نور به پلاسمونهای سطحی ۱۱ ۲-۴-۱ تزویج به وسیله منشور ۱۱ ۲-۴-۲ تزویج به کمک توری ۱۲ ۲-۴-۳ تزویج با استفاده از نانوذرات ۱۲ ۳ تزویج نور به پلاسمونهای سطحی با استفاده از نانوذرات ۱۵ ۳-۱ سطح مقطع جذب، پراکندگی و خاموشی در نانوذرات ۱۵ ۳-۱-۱ سطح مقطع جذب، پراکندگی و خاموشی درذرات کروی ۱۸ ۳-۱-۲ سطح مقطع‌های پراکندگی برای ذرات کروی کوچک ۱۸ ۳-۲ استفاده از نانوذرات به عنوان تزویج کننده نور ۱۹ ۴ ارتقاء جذب در سلولهای خورشیدی با استفاده از پلاسمونیک ۳۲ ۴-۱ پلاسمونیک در سلولهای خورشیدی ۳۳ ۴-۱-۱ جذب نور به وسیله پلاسمونهای سطحی ۳۳ ۴-۱-۲ تمرکز نور به وسیله نانوذرات ۳۳ ۴-۱-۳ پراکنده سازی نور به وسیله نانوذرات ۳۴ ۴-۲ سلولهای خورشیدی با استفاده از نانوذرات فلزی ۳۵ ۴-۳سلولهای خورشیدی با استفاده از پلاسمونهای سطحی ۴۱ ۴-۳سلولهای خورشیدی با استفاده از پلاسمونهای سطحی در دوسوی لایه نازک فلزی ۴۳ ۵نتیجه گیری و پیشنهادها ۴۹ مراجع ۵۱
بررسی اثر پلاسمونیک در سلولهای خورشیدی آلی حساس‌شده به رنگ و نقاط کوانتمی
چکیده
ویژگی رزونانس پلاسمون سطحی نانوذرات نقره، ما را قادر به کنترل نور در ابعاد نانومتری می‌کند. در این رساله نانوذرات نقره به روش شیمیایی سنتز شدند و به دو روش لایه-نشانی چرخشی و لایه‌نشانی غوطه‌وری در ساختار سلول خورشیدی رنگدانهای به‌کار بـرده شدند. نانوذرات نقره و سلولهای خورشیدی مرجع و پلاسمونیکی با اندازه‌گــیری ولتاژ-جریان، طیف جذب محلول نانوذرات و رنگدانه و طیف جذب فوتوآند مرجع و پلاسمونیکی، مشخصه‌یابی شدند. بهبود عملکرد سلول خورشیدی رنگدانهای با افزایش جذب نور و در نتیجه افزایش جریان اتصال کوتاه مشاهده شد. ساختارهای هسته-پوسته با هسته‌ی فلزی و پوسته‌ی اکسیدفلزی به دو دلیل مورد توجه قرار گرفتند (1): خورده شدن نانوذرات نقره توسط الکترولیت یدید-تری‌یدید که باعث عدم پایداری سلول خورشیدی رنگدانهای پلاسمونیکی می‌شود و (2): شارژ الکترونی نانوذرات نقره که موجب اتلاف حامل‌های بار تولید شده و در نتیجه کاهش بازده جمع‌آوری الکترون می‌شــود. به این منظور از ساختار جدید هسته-پوسته نقره-دی‌اکسید قلع استفاده شد. دی‌اکسید تیتانیوم و دی‌اکسید سیلیسیوم متداول‌ترین موادی هستند که به عنوان پوسته استفاده می‌شوند. در این کار از پوسته‌ی جدید دی‌اکسید قلع استفاده شد. دی‌اکسید قلع با ضریب شکست 2/006، ثابت دی‌الکتریک 9/86 و گاف انرژی eV 3/57 یک نیم‌رسانا است. هم‌چنین دی‌اکسید قلع در مقایسه با دی‌اکسید تیتانیوم تحرک‌پذیری بار بالاتری دارد که انتقال الکترون‌های تولید شده را افزایش می‌دهد. در این پروژه سعی شد این اثرات در عملکرد سلول خورشیدی رنگدانهای مورد بررسی قرار گیرد.
فصل اول: سلول¬های خورشیدی 1
1-1-مقدمه 2
1-2 اهمیت انرژی خورشیدی 4
1-2-1 تابش خورشید 4
1-2-2 موقیعیت ایران از نظر دریافت انرژی خورشیدی 6
1-3 سلول¬های خورشیدی 7
1-4 نسل¬های سلولهای خورشیدی 8
1-5 نظریه شاکلی– کویسر (SQ): 11
1-6 مدول¬های خورشیدی تجاری 13
فصل دوم: سلول¬های خورشیدی رنگدانه¬ای 17
2-1-مقدمه 18
2-2 اجزای سازنده 20
2-2-1 زیرلایه رسانا 20
2-2-2- نی¬مرسانا 21
2-2-3 رنگدانه 24
2-2-4- الکترولیت 29
2-2-5- الکترود مقابل 32
2-3 عملکرد سلول¬های خورشیدی رنگدانه¬ای 33
2-3-1 جدایی و انتقال بار 33
2-3-2 بازترکیب: 36
2-3-3 مقیاس¬های زمانی در سلول¬های خورشیدی رنگدانه¬ای 38
2-4 روش¬ها و دستگاه¬های مشخصه¬یابی سلول¬های خورشیدی 39
2-4-1 اندازه¬گیری جریان- ولتاژ (I-V) 39
2-4-2 بازده تبدیل فوتون فرودی به جریان یا بازده کوانتومی (IPCE) 43
2-4-3 اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمی (EIS) 44
فصل سوم: سلول¬های خورشیدی پلاسمونیکی 49
3-1 مقدمه 50
3-2 علم پلاسمونیک 50
3-2-1 تاریخچه 50
3-2-2 تعریف و اساس علم پلاسمونیک 52
3-2-3 اثر اندازه نانوذرات بر ویژگی¬های پلاسمونیکی 55
3-2-4 اثر شکل نانوذرات بر ویژگی¬های پلاسمونیکی 58
3-2-5 اثر نوع نانوذرات بر ویژگی¬های پلاسمونیکی 62
3-2-6 اثر محیط پیرامون نانوذرات بر ویژگی¬های پلاسمونیکی 65
3-3 سلول¬های خورشیدی پلاسمونیکی 67
3-3-1 تاریخچه 67
3-3-2 عملکرد ساختارهای پلاسمونیکی در سلولهای خورشیدی 68
3-3-3 نانوساختارهای به کار برده شده در سلول¬های خورشیدی رنگدانه¬ای 70
3-3-3-1 نانوذرات تک¬ذرهای 70
3-3-3-2 نانوذرات هسته-پوسته¬ی فلز-اکسید فلز 76
3-3-3-3 هسته-پوسته¬های اکسید فلز-فلز 80
3-3-3-4 نانوپوسته¬های فلزی 81
3-3-3-5 نانوساختارهای دو بعدی 82
فصل چهارم: روش آزمایش و نتایج تجربی 85
4-1 مقدمه 86
4-2 مواد و دستگاه¬های آزمایشگاهی 86
4-2-1 دستگاه¬های آزمایشگاهی 86
4-2-2 دستگاه¬های مشخصه¬یابی 87
4-2-3 مواد 87
4-3 نانوذرات نقره 88
4-3-1 نانوذرات نقره با کاهنده سدیم بوروهیدرید (NaBH4) 88
4-3-1-1 سنتز نانوذرات نقره با کاهنده NaBH4 و پایـــدارکننده PVP (1) 88
4-3-1-2 نتایج 89
4-3-2 نانوذرات نقره با کاهنده¬ی سدیم¬بروهیدرید و پایدارکننده تری¬سدیم¬سیترات (2) 90
4-3-2-1 سنتز نانوذرات نقره با کاهنده¬ی NaBH4 و پایدارکننده TSC 90
4-3-2-2 نتایج 91
4-3-3 نانوذرات نقره سنتز شده با کاهنده¬ی تری¬سدیم¬سیترات (3) 91
4-3-3-1 سنتز نانوذرات نقره سنتز شده با کاهنده¬ی TSC (3) 91
4-3-3-2 نتایج 92
4-3-4 نانوذرات هسته-پوسته¬ی نقره-دی¬اکسید قلع (Ag@SnO2) 92
4-3-4-1 سنتز نانوذرات هسته-پوسته¬ی نقره-دی اکسید قلع (Ag@SnO2) 92
4-3-4-2 نتایج 93
4-4 سلول خورشیدی رنگدانه¬ای 94
4-4-1 روش ساخت سلول خورشیدی رنگدانه¬ای 94
4-4-1-1 شستشوی زیرلایه¬ها 94
4-4-1-2 آماده¬سازی فوتوآند سلول¬های خورشیدی رنگدانه¬ای 94
4-4-1-3 آماده¬سازی الکترود مقابل 96
4-4-1-4 تهیه الکترولیت 96
4-4-1-5 مجتمع کردن و آب¬بندی سلول 97
4-4-2 نتایج 99
4-5 سلول¬های خورشیدی پلاسمونیکی 100
4-5-1 نانوذرات نقره قبل از TiO2 100
4-5-1-1 روش کار 100
4-5-1-2 نتایج 101
4-5-2 نانوذرات نقره بعد از TiO2 103
4-5-2-1 روش کار 103
4-5-2-2 نتایج 103
نتیجه¬گیری 112
پیشنهادات 113
منابع و مآخذ 114
سلول خورشیدی بهبود یافته با استفاده ازنانو‌ساختارهای پلاسمونیک و نقاط کوانتومی CdS
چکیده
اخیرا سلولهای خورشیدی رنگدانهای به دلیل قیمت پایین و روش ساخت آسان بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند TiO2 با شکاف انرژی بالا که در ناحیه فرابنفش جذب دارد یکی از بهترین مواد اکسیدی برای سلولهای خورشیدی است. شکاف انرژی بالای TiO2 جذب نور ان را به ناحیه فرابنفش محدود می‌کند. اگرچه تلاش‌های برای بهبود حساس کننده انجام شده است. انها هنوز به دلیل جذب ضعیف رنگ‌های حساس کننده محدود شد‌اند. این جذب نور پایین بازده سلولهای خورشیدی رنگدانهای را محدود کرده است. به همین منظور در اینجا نانو مواد پلاسمونیک و نقاط کوانتومی به عنوان دام انداز نور و کمک جاذب استفاده شد. در این تحقیق از روش الکتروفورز به منظور لایه‌نشانی TiO2 استفاده شد. هم چنین روش‌های Dip-Coating، Drop-cast و Doctor-blade به منظور لایه‌نشانی لایه متراکم (compact layer) به کار گرفته شد. هم چنین از روش هم رسوبی به منظور تهیه نانوساختارهای نقره و CdS استفاده گردید. با استفاده از ساختارهای فراکتالی Ag/Au بازده 9 درصد بدست امد.
1-1 ضرورت نیاز به انرژی های جدید 2
1-2 مصارف انرژی خورشیدی 2
1-3 پیل‌های خورشیدی 3
1-3-1 تاریخچه سلولهای خورشیدی 4
1-3-2 مفهوم فتوولتائیک 5
1-4 انواع سلولهای فتوولتائیک 5
1-4-1 سلولهای نسل اول 5
1-4-2 سلولهای نسل دوم(سلولهای لایه‌ی نازک) 7
1-4-3 سلولهای خورشیدی آلی 7
1-5 ساختار سلولهای خورشیدی رنگدانه ای 10
1-5-1 زیرلایه 11
1-5-2 فتو الکترود 12
1-5-3 رنگینه‌های عامل حساسیت از نوع کمپلکس فلزی 14
1-5-4 الکترولیت اکسایش – کاهشی 14
1-5-5 الکترود کمکی 15
1-6 مهر و موم سلول خورشیدی رنگدانه ای 15
1-7 مکانیسم سلولهای خورشیدی رنگدانه ای 15
1-8 ساخت DSC 24
1-8-1 ساخت فتوالکترود TiO2 24
1-8-2 جذب رنگدانه بر روی فیلم TiO2 25
1-8-3 الکترولیت اکسایش – کاهشی 25
1-8-4 الکترود کمکی 26
1-8-5 بستن سلول خورشیدی 26
1-9 سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگینه بر پایه‌یTiO2 27
2 فصل دوم 33
2-1 روش الکتروفورز به منظور لایه‌نشانی TiO2 بر سطح FTO 35
2-1-1 وسایل آزمایشگاهی 35
2-1-2 مواد شیمیایی 35
2-1-3 آماده سازی شیشههای FTO 35
2-1-4 آماده سازی محلول الکترولیت مورد استفاده در روش الکتروفورز 36
2-1-5 آماده سازی الکترودها 36
2-1-6 انجام لایه نشانی الکتروفورز 37
2-1-7 عملیات حرارتی بعد از لایه نشانی 38
2-2 روش روش لایه نشانی Dip-Coating 38
2-2-1 وسایل آزمایشگاهی 38
2-2-2 مواد شیمیایی 38
2-2-3 آماده سازی محلولها به منظور لایه نشانی 39
2-2-4 انجام مراحل Dip-Coating 39
2-3 روش لایه نشانی حمام شیمیایی 40
2-3-1 وسایل آزمایشگاهی 40
2-3-2 مواد شیمیایی 41
2-3-3 آماده سازی محلول CBD 41
2-4 روش همرسوبی به منظور تهیه نانوساختارهای CdS و Ag@organic (organic=PVP and PVA) 41
2-4-1 وسایل آزمایشگاهی 41
2-4-2 مواد شیمیایی 41
2-4-3 روش کار 42
2-5 تهیه دندریتهای نقره و مس با جایگزینی گالوانیکی 43
2-6 شس تهیه دندریتهای نقره- طلا با جایگزینی گالوانیکی 44
2-7 لایه نشانی TiO2 به کمک روش تیغه تنظیم 44
2-8 ساخت سلول خورشیدی حساس شده با رنگدانه 44
2-9 آماده کردن آند 46
2-8-2- آماده سازی کاتد 46
2-8-3- بستن سلول خورشیدی از آند و کاتد ایجاد شده 46
2-10 دستگاه‌های مورد استفاده برای شناسایی محصولات 47
3 فصل سوم 49
3-1 بررسی اثر نقره در بین لایه‌های مختلف اکسید تیتانیوم بر عملکرد سلول خورشیدی 51
3-1-1 بررسی خواص نوری 56
3-1-2 مقدار رنگ جذب شده 57
3-2 بررسی استفاده از نانوذرات نقره اصلاح شده با مواد الی در سلول 58
3-2-1 تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی 59
3-2-2 بررسی خواص نوری نانوذرات تهیه شده 60
3-2-3 بررسی پایداری نانوذرات نقره در برابر الکترولیت ید 61
3-2-4 بررسی اثر این نانوذرات بر عملکرد سلول خورشیدی رنگدانهای و میزان رنگ جذب شده 62
3-2-5 بررسی تئوری 69
3-3 بررسی اثر استفاده همزمان از طلا با شکلهای متفاوت و نقاط کوانتومی کادمیوم سولفید 70
3-3-1 سنتز و شناسایی نقاط کوانتومی کادمیوم سولفید 71
3-3-2 بررسی خواص نوری نانوساختارهای ساخته شده 74
3-3-3 بررسی اثر نانوذرات طلا، نانومیله طلا و نقاط کوانتومی کادمیوم سولفید در سلول خورشیدی رنگدانهای 75
3-3-4 بررسی امپدانس سلولهای ساخته شده 76
3-3-5 بررسی خواص نوری فتوآندهای ساخته شده 78
3-3-6 IMPS و IMVS 79
3-4 بررسی اثر استفاده همزمان از نانوذرات نقره اصلاح شده با PVP و نقاط کوانتومی کادمیوم سولفید 81
3-4-1 سنتز و شناسایی نانوذرات نقره اصلاح شده با PVP و نقاط کوانتومی کادمیوم سولفید 81
3-4-2 بررسی تأثیر این نانوذرات در سلول خورشیدی رنگدانهای 81
3-4-3 بررسی نتایج IMPS و IMVS 86
3-5 بررسی اثر ساختارهای فراکتال نقره، مس، و نقره-طلا در سلول خورشیدی 87
3-5-1 سنتز و شناسایی فراکتالهای مس و نقره 87
3-5-2 بررسی تأثیر نانوساختارهای تهیه شده بر عملکرد سلول خورشیدی رنگدانهای 95
3-6 ارائه یک compact layer جدید برای سلولهای خورشیدی رنگدانهای 100
3-6-1 شناسایی نانوساختارهای SiO2 100
3-6-2 بررسی تأثیر compact layer در سلول خورشیدی رنگدانهای 101
3-7 ارائه یک روش جدید مهر و موم کردن برای سلول خورشیدی رنگدانهای 105
3-8 نتیجه گیری کلی 106
4 منابع 107
نقد و بررسی‌ها
هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.