1. مدل‏سازی الکتریکی و نوری در سلول‏های خورشیدی لایه نازک: با تمرکز بر سلول‏های خورشیدی آلی لایه نازک
استاد:
دکتر شهرام محمدنژاد

2. فهرست مطالب بخش اول: مقدمه بخش دوم: شبیه‏سازی نوری
سلول خورشیدی لایه نازک
استخراج پارامترها
سلول‏های خورشیدی آلی
بخش دوم: شبیه‏سازی نوری
محاسبه طیف جذبی
طیف خورشیدی و طیف جذبی نور خورشید
بخش سوم: شبیه‏سازی الکتریکی
محاسبه مشخصه ولتاژ- جریان
بررسی اثر تغییر پارامترها
زاویه تابش نور ورودی
ضخامت و پراکندگی مواد آلی در لایه فعال
30 / 1

3. بخش اول: مقدمه سلول خورشیدی لایه نازک استخراج پارامترها
سلول خورشیدی لایه نازک
استخراج پارامترها
سلول‏های خورشیدی آلی
بخش اول: مقدمه
30 / 2

4. سلول‏های خورشیدی لایه نازک
سلول ‏های لایه نازک مرسوم:
Cadmium telluride
Copper indium gallium selenide
Silicon thin film solar cell
Gallium arsenide thin film cells
سلول‏های لایه نازک در حال توسعه:
Copper zinc tin sulfide solar cell
CZTS، CZTSe و CZTSSe
Dye-sensitized solar cell
Organic solar cell
Perovskite solar cell
Quantum dot solar cell
30 / 3

5. استخراج پارامترهای لایه‏های نازک
قطبش‏سنجی (Ellipsometry):
تابش نور با قطبش خطی
دریافت نور منعکس شده از سطح
استخراج اطلاعات تغییر فاز و دامنه
تحلیل اطلاعات دریافت شده با مدل‏سازی انتشار نور
مدل‏سازی انتشار نور با روش‏های مرسوم مانند Transfer Matrix Method (TMM)
30 / 4

6. بازده سلول‏های خورشیدی در حال توسعه و لایه نازک
سلول خورشیدی آلی:
تولید آسان
پوشش‏دهی چرخشی
چاپ
قابلیت تنظیم مواد آلی
حل‏پذیری
خواص الکتریکی
خواص نوری
مدل‏سازی عددی:
پیش‏بینی رفتار قطعه
استخراج پارامترها
درک فرآیندها
ابزار مناسب طراحی
30 / 5

7. تاریخچه سلول‏های خورشیدی آلی
ساختار ناهمگون لایه‏ای، سال ، بازده 0.95%
لایه فعال، 2 لایه موازی بین الکترودها
ساختار ناهمگون توده‏ای، سال ، بازده 2.9%
لایه فعال، مخلوطی از 2 ماده آلی قابل حل
30 / 6

8. اکسیتون جذب فوتون تولید اکسیتون نیمه‏هادی غیر آلی: نیمه‏هادی آلی:
تولید اکسیتون
نیمه‏هادی غیر آلی:
شعاع اکسیتون زیاد
انرژی همبستگی کم
تامین انرژی در دمای اتاق
نیمه‏هادی آلی:
شعاع اکسیتون کم
انرژی همبستگی زیاد
نیاز به محیط مناسب جداسازی
30 / 7

9. فرایند تبدیل انرژی در سلول‏های خورشیدی آلی
جداسازی اکسیتون در مرز دو نیمه‏هادی
تولید حامل‏های آزاد و جذب در الکترودها
30 / 8

10. مدل‏سازی عددی شبیه‏سازی الکتریکی: شبیه‏سازی نوری: مدل‏سازی فرایندها
تولید و نفوذ اکسیتون
بازترکیب یا جدا سازی اکسیتون
نفوذ و رانش حامل‏های بار
بازترکیب حامل‏های بار یا جذب در الکترودها
شبیه‏سازی نوری:
منبع نور
منبع تک فرکانس یا همدوس
طیف خورشیدی با منابع همدوس
محاسبه طیف جذبی
محاسبه توزیع جذب در لایه فعال
30 / 9

11. بخش دوم: شبیه‏سازی نوری
محاسبه طیف جذبی
طیف خورشیدی
طیف جذبی نور خورشید
30 / 10

12. ساختارهای ناهمگون لایه‏ای و توده‏ای
ساختار ناهمگون لایه‏ای
ساختار ناهمگون توده‏ای
ضرایب نوری مواد
30 / 11

13. شرایط آزمایش سلول‏های خورشیدی
30 / 12

14. طیف خورشیدی استاندارد طیف خارج جو (AM 0 یا Extraterrestrial)
طیف کلی (AM 1.5G یا Global Tilt)
طیف مستقیم (AM 1.5D یا Direct + Circumsolar)
30 / 13

15. طیف جذبی نور خورشید
30 / 14

16. شار فوتون‏های جذب شده و بازده جذب فوتون‏ها
پارامتر
سلول‏های خورشیدی آلی
نمونه 1
نمونه 2
نمونه 3
ساختار
ناهمگون لایه‏ای
ناهمگون توده‏ای
ضخامت لایه فعال
پارامتر
سلول‏های خورشیدی آلی
نمونه 1
نمونه 2
نمونه 3
شار فوتون‏های جذب شده
بازده جذب فوتون‏ها
30 / 15

17. تغییرات بازده جذب در ساختار ناهمگون توده‏ای
افزایش متناوب:
برهم‏نهی امواج
تغییر در توزیع جذب
محدودیت نهایی:
توان ورودی محدود
جذب توان در سایر لایه‏ها
انعکاس ثابت در سطح
30 / 16

18. جذب نور غیر عمود با قطبیدگی TM
نور ورودی با زاویه 60 درجه
نور ورودی با زاویه 30 درجه
30 / 17

19. جذب نور غیر عمود با قطبیدگی TE
نور ورودی با زاویه 60 درجه
نور ورودی با زاویه 30 درجه
30 / 18

20. طیف جذبی نور خورشید با تغییر زاویه تابش
طیف جذبی نور غیر قطبیده
میانگین طیف جذبی نور TM و TE
افزایش زاویه
کاهش نور رسیده به واحد سطح
تغییر در میزان بازتابش در سطح
30 / 19

21. بخش سوم: شبیه‏سازی الکتریکی
محاسبه نتایج الکتریکی
بررسی اثر تغییر پارامترها
30 / 20

22. ساختار ساده شده و محاسبه مشخصه ولتاژ-جریان
مشخصه ولتاژ-جریان و سایر پارامترها
سطوح انرژی
30 / 21

23. مدل الکتریکی
30 / 22

24. نرخ تولید اکسیتون و مشخصه ولتاژ-جریان
ساختار:
ناهمگون لایه‏ای
ضخامت لایه فعال: 30 نانومتر
بازده: 1.59%
30 / 23

25. نرخ تولید اکسیتون و مشخصه ولتاژ-جریان
ساختار:
ناهمگون توده‏ای
ضخامت لایه فعال: 80 نانومتر
بازده: 5.25%
30 / 24

26. بازده جذب فوتون‏ها و بازده تبدیل توان
پارامتر
سلول‏های خورشیدی آلی
نمونه 1
نمونه 2
نمونه 3
ساختار
ناهمگون لایه‏ای
ناهمگون توده‏ای
ضخامت لایه فعال
پارامتر
سلول‏های خورشیدی آلی
نمونه 1
نمونه 2
نمونه 3
بازده جذب فوتون‏ها FF
بازده تبدیل توان
30 / 25

27. بررسی اثر ضخامت لایه فعال در ساختار ناهمگون توده‏ای
افزایش ضخامت:
افزایش احتمال بازترکیب حامل‏های آزاد
کاهش نسبی جریان اتصال کوتاه
کاهش FF
کاهش نسبی بازده
بیش‏ترین بازده در ضخامت 80 میکرومتر
30 / 26

28. بررسی اثر پراکندگی نیمه‏هادی‏ها در لایه فعال
افزایش دوره تناوب:
دورتر شدن مرزها
کاهش احتمال جداسازی اکسیتون
کاهش جریان
افزایش چگالی حامل‏ها در مرز
کاهش FF و بازده
30 / 27

29. بررسی اثر زاویه نور ورودی
فرایندهای نوری تعیین کننده هستند
تغییرات بازده تا 60 درجه:
به دلیل کاهش توان رسیده به واحد سطح
تغییر در میزان بازتابش در سطح
کاهش بازده بین 60 تا 90 درجه:
به دلیل افزایش بازتابش در سطح
جذب بخش غیر مستقیم نور خورشید:
لزوم استفاده از سطح ضد انعکاس مناسب
30 / 28

30. نتیجه‏گیری افزایش ضخامت لایه فعال افزایش دوره تناوب در لایه فعال
به طور کلی موجب افزایش جذب می‏شود
بیش‏ترین بازده در ضخامت 80 نانومتر
افزایش دوره تناوب در لایه فعال
کاهش بازده
افزایش زاویه تابش
کاهش نور رسیده به واحد سطح
افزایش انعکاس
طیف خورشیدی
غیر قطبیده
مجموعه‏ای از خطوط طیف
طیف جذبی هموار
30 / 29

31. پیشنهادات ضخامت لایه فعال دوره تناوب در لایه فعال زاویه تابش
بررسی اثر نقص‏ها و مرزهای غیر ایده‏آل
دوره تناوب در لایه فعال
استفاده از مرزهای غیر هموار
مرزهای با تغییرات متناوب یا تصادفی
زاویه تابش
استفاده از سطوح ضد انعکاس مناسب
طیف خورشیدی
بررسی بخش غیرمستقیم نور خورشید با زاویه های متفاوت
30 / 30

32. با تشکر