در ميان انواع مختلف سلول خورشيدي، در ابتدای قرن بیست و یکم سلول¬هاي خورشيدي پروسکايتي، به دليل مزايايي همچون قيمت پايين مواد خام، فرآيند ساخت آسان و بازده تبديل توان نسبتا بالا توجه بسياري از دانشمندان را به خود جلب کرده¬اند. همچنین سلول¬های خورشیدی پروسکایتی بر اساس نوع مواد آلی و روش های لایه¬گذاری مورد مطالعه قرار گرفته است. با استفاده از این مواد و روش¬های لایه گذاری بازده بالا¬تری برای این نوع از سلول¬های خورشیدی گزارش شده است. به دلیل آن که ساخت سلول¬های خورشیدی هزینه زیادی دارد. شبيه سازي و مدل سازي سلول¬هاي خورشيدي، ابزاری مهم و بسيار موثر براي درک بهتر فيزيک سلول¬های خورشیدی می¬باشد. از اين رو، در اين پژوهش در راستاي دستيابي به مدل کاربردی، به شبيه¬سازي سه بعدي سلول¬هاي خورشيدي پروسکايتي پرداخته شده است. در اين پايان¬نامه براي شبيه¬سازي سلول¬خورشيدي پروسکايتي از نرم افزار5.2 COMSOL Multiphysics استفاده شده است . روش حل اين نرم افزار براساس روش حل المان محدود می باشد. همچنين از معادلات استاندارد نفوذ-رانش جهت مدل سازي رفتار حامل ها استفاده شده است. در بخش نتايج ، ابتدا تأثير تغييرات ضخامت لایه¬ها بر عمل کرد سلول¬هاي خورشيدي بررسي شده است. یک سلول¬خورشیدی با نانوسیم¬های GeSe می¬تواند تغییری در کارایی حتی بالاتر از سلول خورشیدی پروسکایت معمولی بدست دهد. چنین طرحی می تواند جذب طول¬موج طولانی نور را بهتر نماید و مکمل لایه پروسکایت باشد. بازده جذب نور در سلول¬خورشیدی پروسکایت با نانو سیم¬های GeSe به طور قابل توجهی افزایش می¬یابد. راندمان تبدیل انرژی می¬تواند تا حدی افزایش یابد تا وقتی که فاکتور پرشدگی و ولتاژ مدار باز بهبود یابد. این استراتژی راه جدیدی را برای توسعه سلول¬های خورشیدی با کاربردهای عملی و کارایی بالا باز می¬نماید. به عنوان یک نتیجه¬گیری، معرفی نانوسیم¬های GeSe در لایه فعال یک مسیر امیدوار کننده برای بهبود PCE سلول‌های خورشیدی پروسکایتی است. در ادامه مقدار جذب و تولید حامل در لایه فعال ساختار پیشنهادی تک لایه و دو لایه مقایسه شد. می توانید این پروژه مهندسی برق را به صورت فایل word دانلود نمایید.
مقدمه
انرژی ها بر اساس منابع تولید به دو دسته انرژی¬های تجدیدناپذیر و تجدیدپذیر تقسیم می¬شوند. انرژی¬های تجدیدناپذیر که شامل انواع سوخت¬های گیاهی، فسیلی و هسته¬ای می¬شوند دارای منابعی محدود و بی-بازگشت هستند. افزایش جمعیت و نیاز روزافزون به انرژی¬های جدید باعث شد سوخت¬های فسیلی کشف و به¬عنوان منبع انرژی مورد استفاده قرار گیرد. منابع مختلف انرژی¬های تجدیدپذیر که شامل انرژی خورشیدی، انرژی باد و امواج، انرژی زمین¬گرمایی و انرژی برق¬آبی است در سال¬های اخیر به دلیل اشکالات جدی حاصل از استخراج و بهره¬برداری از منابع تجدیدناپذیر انرژی، در جهان به¬سرعت رو به افزایش است. استفاده از آن¬ها به¬عنوان جایگزینی مناسب برای منابع تجدیدناپذیر در عرصه انرژی محسوب می¬شود. یکی از چالش¬ها بزرگی که امروزه بشر با آن رو به رو می باشد تامین انرژی ارزان، سازگار با محیط زیست و با بازده بالا می باشد، با توجه به هزینه¬های بالای تولید، انتقال، توزیع و تعمیر و نگهداری انرژی برق تنها راه برون رفت از مشکلاتی همچون تولید تجهیزات در زمینه تولید انرژی و تحریم¬های حاکم بر کشور عزیزمان، استفاده از منابع انرژی¬های تجدیدپذیر سازگار با محیط زیست است. انرژی¬خورشیدی وسیع¬ترین منبع انرژی در جهان است که به آسانی و رایگان قابل دسترس می¬باشد. سلول¬های خورشیدی، نور خورشید را به¬طور مستقیم تحت فرآیند فتوولتائیک به الکتریسیته تبدیل می¬کنند. در مقایسه با سایر روش¬های تولید انرژی الکتریکی، دستگاه¬های فتوولتائیک الکتریسیته را بدون مصرف هرگونه سوخت فسیلی و بدون هرگونه حرکت مکانیکی تولید می¬کنند. یکی از منابع پاک در جهان خورشید است. امید بخش بودن توانایی¬های تکنولوژی فوتوولتائیک و جستجو بیشتر در مورد آن و تمرکز روی پایداری و کاهش هزینه ساخت وسایل فوتوولتائیک می تواند کمبودهای انرژی در جهان را حل نماید. برای رسیدن به اهداف بالا باعث شد تا تکنیک¬های متفاوتی مورد بررسی قرار گیرد. این تکنیک¬های ساخت باعث شد تا سلول¬های خورشیدی به سه نسل متفاوت تقسیم شوند. سلول¬های خورشیدی نسل سوم به نام سلول¬¬های خورشیدی پروسکایتی کشف و مورد پژوهش قرارگرفته¬اند که نمونه¬های اولیه آن عملکردی مشابه سلول¬های حساس¬شده با رنگ داشتند، اما به دلایلی ازجمله ناپایداری که از مایع بودن الکترولیت ناشی می¬شد، جای خود را به سلول¬های پروسکایتی حالت¬جامد دادند که از نظر پایداری مناسب¬تر هستند. امروزه سلول¬های پروسکایتی به خاطر ارزان قیمت بودن و سرعت شگفت¬انگیز در افزایش بازده تبدیل توان الکتریکی، بسیار مورد توجه قرارگرفته¬اند.
فهرست مطالب
فصل 1 مقدمه 1
1-1- پیشگفتار 1
1-2- ساختار و عملکرد سلول خورشیدی 4
1-3- انواع سلول های خورشیدی 6
1-4- لایه های سلول خورشیدی پروسکایتی 9
1-5- تاریخچه سلول های خورشیدی 10
فصل 2 سلول های خورشیدی پروسکایتی و کارهای انجام شده 14
2-1- مقدمه 14
2-2- ساختار پروسکایت 14
2-3- مزایای سلول های خورشیدی پروسکایتی 15
2-4- چالش های سلول های خورشیدی پروسکایتی 16
2-5- طراحی سلول خورشیدی پروسکایتی 17
2-6- روش های لایه نشانی پروسکایت 17
2-7- کارهای انجام شده 21
فصل 3 روش شبیه سازی 31
3-1- مقدمه 31
3-2- زاویه نور خورشید در سطح زمین 31
3-3- مشخصه های سلول خورشیدی 33
3-4- نرم افزار کامسول 35
3-5- مدل شبيه سازي 37
3-6- ویژگی های فیزیکی و شیمیایی ژرمانیوم سلناید (GeSe ) 42
3-7- فرمول نسبت چگالی GeSe به پروسکایت در لایه فعال 43
3-8- مشخصات مواد استفاده شده در شبیه سازی 44
فصل 4 نتایج و بحث 45
4-1- مقدمه 45
4-2- سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح 46
4-3- نتایج سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح 47
4-4- اعتبار سنجی 50
4-5-- شبیه سازی سلول خورشیدی پروسکایتی در حضور نانوسیم های GeSe 51
4-6- سلول خورشیدی پروسکایت / GeSe 72
4-7- نتیجه گیری 93
فصل 5 نتیجه گیری و پیشنهادها 94
5-1- نتیجه گیری 94
5-1- پیشنهادها 95
فهرست مراجع 97
فهرست شکل¬ها
شکل(1-1) مقدار سهم منابع انرژي مختلف در تامين انرژي الکتریکی کشور آمریکا از سال 2010 تا 2050 [1]. 2
شکل(1-2) مقدار سهم منابع انرژي تجدیدپذیر در تامين انرژي الکتریکی کشور آمریکا از سال 2010 تا 2050 [1]. 3
شکل(1-3) نحوه عملکرد سیستم فتوولتائیک در تولید انرژی الکتریکی[2]. 4
شکل(2-1) پروسکایت CH3NH3PbI3 که به متیل آمونیوم ید آیداید معروف است[11]. 15
شکل(2-2) مراحل لایه نشانی پروسکایت با روش چرخشی دومرحله ای به روش پارک. ابتدا PbI2 و سپس CH3NH3I لایه نشانی شده و در معرض حرارت قرار می گیرد [25]. 19
شکل(2-3) مراحل لایه نشانی پروسکایت با استفاده از روش افشانه ای. ابتدا پیش مادهی PbI2 به روش چرخشی لایه نشانی شده، سپس محلول متیل آمونیوم یدی به صورت افشانه ای روی آن لایه نشانی شده و حرارت می بیند [27]. 20
شکل(2-4) الف) روش لایه نشانی تبخیر گرمایی و ب) نمونه ای از مقطع سلول خورشیدی لایه نشانی شده با این روش [30]. شکل(2-5) ساختار سلول خورشیدی دولایه ناهمگن پروسکایت با GeSe [31]. 22
شکل(2-6) کارایی جذب بر حسب طول موج در سلول خورشیدی دو لایه [31]. 23
شکل(2-7) (a) EQE و IQE سلولخورشیدی دو لایه پروسکایت/GeSe و (b) EQE و IQE سلولخورشیدی تک لایه پروسکایت [31]. 24
شکل(2-8) منحنی J-V سلول خورشیدی دو لایه پروسکایت /GeSe و سلول خورشیدی تک لایه پروسکایت [31]. 25
شکل(2-9) ساختار سلول خورشیدی دو لایه CH3NH3PbI3/ CH3NH3SnI3 [32]. 26
شکل(2-10) نمای تولید حامل در ساختار دولایه CH3NH3PbI3/ CH3NH3SnI3 (راست) و تک لایه CH3NH3PbI3 ( چپ) [32]. 26
شکل(2-11) مشخصه جریان ولتاژ سلول خورشیدی تک لایه CH3NH3PbI3 و دولایه CH3NH3PbI3/ CH3NH3SnI3[32]. 27
شکل(2-12) ساختار نانوسیم های TiO2 در لایه پروسکایت [33]. 28
شکل(2-13) نمای نوار انرژی سلول خورشیدی در حضور نانوسیم های TiO2 [33]. 29
شکل(2-14) الف و ج ) نانوساختار ارائه شده برای سلول خورشیدی پروسکایتی . ب و د) مسیر نور ورودی به نانو ساختار [34]. 30
شکل(3-1) زاویه تابش خورشید به حالت تابش عمودی [34]. 32
شکل(3-2) نمودار طیف خورشید در AM1.5،AM1 ،AM0 [34]. 33
شکل(3-3) الف) و (ب) به ترتیب ضریب خاموشی و ضریب شکست ماده پروسکایت و TiO2 39
شکل(3-4) (الف) و (ب) به ترتیب ضریب خاموشی و ضریب شکست ماده FTO و CuSCN 40
شکل(4-1) سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح 47
شکل(4-2) نمودار جذب لایه فعال در سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح 48
شکل(4-3) نمودار میزان تولید حامل ( generation) در لایه فعال سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح 49
شکل(4-4) نمودار مشخصه ی جریان – ولتاژJ – V) ) سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح 50
شکل(4-5) سلول خورشیدی پروسکایتی با نانوسیم های GeSe 52
شکل(4-6) مقدار جذب لایه فعال بر حسب طول موج نور ورودی در سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح و با نانوسیم های GeSe به قطر های 10 ، 15 ، 20 ، 30 نانومتر. 53
شکل(4-7) جذب لایه فعال بر حسب طول موج نور ورودی در سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح و با نانوسیم های GeSe به قطر های 30 ، 50 ، 70 نانومتر. 54
شکل(4-8) جذب نانوسیم ها بر حسب طول موج نور ورودی در سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح و با نانوسیم های GeSe به قطر های 30 ، 50 ، 70 نانومتر. 55
شکل(4-9) نمای میدان الکتریکی سلول خورشیدی پروسکایتی با نانوسیم های GeSe در طول موج 640 نانومتر با GeSe قطر الف) 70 نانومتر ب) 50 نانومتر ج) 30 نانومتر 56
شکل(4-10) نمای میدان الکتریکی سلول خورشیدی پروسکایتی با نانوسیم های GeSe در طول موج 780 نانومتر با GeSe قطر الف) 70 نانومتر ب) 50 نانومتر ج) 30 نانومتر 57
شکل(4-11) تولید حامل در سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح و در سلول خورشیدی پروسکایتی با نانوسیم های GeSe در قطر های 10، 20، 30 ، 50 ، 70 نانومتر. 59
شکل(4-12) مقدار IQE با قطر 10 ، 15 ، 20 ، 30 نانومتر و مسطح در طول موج 300 الی 1000 نانومتر. 61
شکل(4-13) مقدار IQE با قطر 30 ، 50 ، 70 نانومتر و مسطح در طول موج 300 الی 1000 نانومتر. 62
شکل(4-14) نمای خط برش عبور داده شده از سلول خورشیدی پروسکایتی در حضور نانوسیم های GeSe 63
شکل(4-15) نوار انرژی سلول خورشیدی پروسکایتی با نانوسیمهای به قطر 70 نانومتر 64
شکل(4-16) چگالی جریان تاریکی را برحسب ولتاژ سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح و با نانوسیم های 65
شکل(4-17) چگالی جریان اتصال کوتاه را برحسب ولتاژ سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح و با نانوسیم های به قطر 10، 15، 20، 30، 50 و 70 نانومتر 66
شکل(4-18) تغییرات مشخصات سلول خورشیدی پروسکایتی شبیه سازی شده در قطر های مختلف 68
شکل(4-19) مشخصه جریان-ولتاژ برای سلول خورشیدی پروسکایتی با حضور نانوسیم ها در موقعیت ها معمولی، گوشه و مرکز 71
شکل(4-20) ساختار سلول خورشیدی پروسکایتی تک لایه(الف) و ساختار سلول خورشيدي دو لايه پروسكايت/ GeSe ( ب) 74
شکل(4-21) نمودار جذب در سلول خورشیدی پروسکایتی تک لایه درضخامتهای 100 . 200. 300. 400 . 500. 600 نانومتر 75
شکل(4-22) مقدار جذب در لایه های جاذب در سلول خورشیدی پروسکایتGeSe/ از طول موج 300 تا 1000 نانومتر 76
شکل(4-23) نرخ تولید حامل بر حسب طول موج در لایه پروسکایت ، GeSe ، و لایه پروسکایت با GeSe 77
شکل(4-24) نمای تولید حامل سلول خورشیدی دولایه پروسکایت / GeSe در طول موج های 300 ، 500 و 900 نانومتر 78
شکل(4-25) ساختار مثلثی در لایه پروسکایت با ارتفاع الف) 20 نانمتر ب) 30 نانومتر ج) 40 نانومتر و د)50 نانومتر 79
شکل(4-26) ساختار مثلثی در لایه GeSe با ارتفاع ثابت 50 نانومتر در حالت های الف) یک ب) دو ج) سه مثلثی. 80
شکل(4-27) مقدار جذب ساختار مثلثی در لایه GeSe با ارتفاع ثابت 50 نانومتر در حالت های یک، دو و سه مثلثی 81
شکل(4-28) ساختار دو مثلثی در لایه GeSe با ارتفاع های الف) 25 ب) 50 ج) 100 نانومتر. 82
شکل(4-29) ساختار ایده آل مثلثی در سلول خورشیدی پروسکایتی دولایه پروسکایت/GeSe 83
شکل(4-30) نمای ساختار پیشنهادی برای سلول خورشیدی پروسکایتی در حضور نانوهرم ها با ترکیبات GeSe 84
شکل(4-31) پروفایل نرخ تولید حامل برای ساختار مسطح با لایه GeSe در (الف) طول موج 650 نانومتر و (ب) 900 نانومتر 85
شکل(4-32) نمودار مشخصه J-V برای سلول خورشیدی پروسکاتی با و بدون GeSe 86
شکل(4-33) نمودار های انتقال و بازترکیب حامل در حضور لایه GeSe 87
شکل(4-34) طیف جذب لایه فعال سلول های خورشیدی پروسکایتی در حضور ناوهرم های GeSe در ارتفاع های مختلف 88
شکل(4-35) پروفایل میدان الکتریکی برای نانوهر های GeSe در ارتفاع های مختلف 90
شکل(4-36) طرحواره ای از اثر به دام انداختن نور نانوهرم های GeSe 91
شکل(4-37) نمودار جریان- ولتاژ برای سلول خورشیدی پروسکایتی در حضور نانوهرم های GeSe در ارتفاع های مختلف91
فهرست جدول ها
جدول(2-1) کمیت های الکتریکی مربوط به سلول خورشیدی دو لایه پروسکایت/GeSe و سلولخورشیدی تک لایه [31]. 24
جدول(2-2) مشخصه های الکتریکی سلول خورشیدی دو لایه CH3NH3PbI3/ CH3NH3SnI3و سلولخورشیدی تک لایه [32]. 27
جدول(3-1) مشخصات مواد استفاده شده در شبیه سازی[38-51]. 44
جدول(4-1) اعتبار سنجی پارامترهای فتوولتاییک سلول خورشیدی پروسکایتی شبیه سازی شده با مرجع 51
جدول(4-2) جریان اتصال کوتاه (JSC) ، ولتاژ مدار باز (VOC) ، فاکتور پرشدگی و بازده تبدیل نیرو (PCE) در سلول خورشیدی مسطح و نانوسیم های مختلف 69
جدول(4-3) مشخصات الکتریکی سلول خورشیدی پروسکایتی با حضور نانوسیم ها در موقعیت ها معمولی، گوشه و مرکز 71
جدول(4-4) کارایی سلول خورشیدی پروسکایتی تک لایه در ضخامت های100 . 200. 300. 400 . 500. 600 نانومتر 75
جدول(4-5) مقایسه کارایی سلول خورشیدی پروسکایتی تک لایه و دو لایه پروسکایت /GeSe 78
جدول(4-6) کارایی سلول خورشیدی ساختار مثلثی پروسکایت با ارتفاع 20، 30، 40، 50 نانومتر 80
جدول(4-7) کارایی ساختار مثلثی در لایه GeSe با ارتفاع ثابت 50 نانومتر در حالت های یک، دو و سه مثلثی 81
جدول(4-8) کارایی ساختار دو مثلثی GeSe با ارتفاع متغیر 83
جدول(4-9) مقایسه کارایی ساختار تک لایه، دو لایه ، مثلثی و ایده آل 84
جدول(4-10) مشخصه الکتریکی سلول خورشیدی پروسکایتی پیشنهادی 92