2-2-1-  ساختار اتمی گرافن 26
2-2-2-  ویژگی های الکتریکی والکترونیکی گرافن 27
2-2-2-1- کریستال دو بعدی 27
2-2-2-2- ساختار نواری مخروطی 27
2-2-2-3- روش های ویژه جهت ایجاد گاف انرژی 29
2-2-2-4- وابستگی جرم سیکلوترون به جذر چگالی حامل 29
2-2-2-5- حامل های بار بدون جرم (فرمیونهای دیراک) 30
2-2-2-6- حداقل رسانایی غیر صفر 31
2-2-2-7- ترابرد بالیستیک………………………… ………………………… 31
2-2-2-8- اثر هال کوانتومی غیر معمول و پدیده ی فاز بری 33
2-2-2-9- اثر میدان آمبایپلار ( آلایش الکتروستاتیک ) 33
2-2-3-  ویژگی های نوری گرافن 34
2-3- روش های ساخت گرافن 35
2-4-     نانو نوارهای گرافن 36
فصل 3-   روش تابع گرین غیرتعادلی و کاربرد آن در شبیه سازی ادوات نیمه هادی 39
3-1- مقدمه 39
3-2- مفهوم ریاضی تابع گرین 39
3-3- روش تابع گرین غیرتعادلی(NEGF) 41
3-3-1-  مفاهیم مقدماتی 41
3-3-2-  استفاده از NEGF برای شبیه سازی ترابرد بالیستیک(بدون تلفات) 44
3-3-3-  استفاده از روش NEGF در شبیه سازی ترابرد غیر بالیستیک(تلفاتی) 46
3-3-3-1- درهمکنش الکترون- الکترون 46
3-3-3-2- درهمکنش های الکترون- فونون و الکترون-فوتون 47
3-3-4-  پایه های نمایش در روش NEGF (فضای واقعی و فضای مود) 49
فصل 4-   روش شبیه سازی 50
4-1- مقدمه………………………………….. ………………………………….. 50
4-2- فلوچارت کامل شبیه سازی 50
4-3- تشکیل همیلتونین 52
4-3-1-  همیلتونین در فضای حقیقی 53
4-3-2-  تبدیل همیلتونین به نمایش در فضای مود 54
4-4- خود-انرژی ناشی از اتصالات 57
4-5- خود-انرژی ناشی از درهمکنش الکترون- فوتون 58
4-6- چالش های محاسباتی در شبیه سازی عددی 59
4-7- راه حل های ممکن جهت عبور از چالش های محاسباتی 60
فصل 5-   نتایج شبیه سازی 61
5-1- مقدمه 61
5-2- نتایج شبیه سازی 61

فصل 6-   پیشنهادات 64
6-1    بررسی و مطالعه ی دقیق بر روی راه حل های شبیه سازی عددی سلول های خورشیدی نانوساختار با استفاده از روش NEGF  و بهره بردن از تکنیک های تسریع محاسبات از جمله برنامه نویسی موازی به منظور دست یابی به نتایج قابل قبول علمی 64
6-2    شبیه سازی سلول خورشیدی مبتنی بر گرافن با استفاده از ساختار ابر-شبکه (به روشه ای مختلف) 64
6-3       طراحی مدل جدیدی از IB-QD-SC با استفاده از ساختار ابر شبکه ی گرافن 64
6-4    شبیه سازی سلول های خورشیدی و آشکارسازهای نوری پلاسمونیک با استفاده از گرافن و طلا (با کمک Comsol) 64
6-5    طراحی سلول خورشیدی با جذب نور بسیار بالا به وسیله ی گرافن چند لایه به همراه لایه های میانی شفاف (مثلا H-BN) 64
فهرست مراجع 65
فهرست جدول‌ها
عنوان                                            صفحه
جدول ‏1‑1- بازده سلول های خورشیدی با 1 تا 4 پیوند به ازای E_gهای مختلف 11
جدول ‏1‑2- کاربرد نانولوله های کربن در سلول های خورشیدی 22
جدول ‏2‑1- موبیلیتی در نمونه های مختلف گرافن 31
فهرست شکل‌‌ها
عنوان                                            صفحه
شکل ‏1‑1-  نمونه ای از یک سلول خورشیدی لایه نازک 4
شکل ‏1‑2- سلول خورشیدی لایه نازک سیلیکون با چند پیوند 5
شکل ‏1‑3- ساختار متداول یک سلول خورشیدی CuInSe₂ 6
شکل ‏1‑4- ساختار مرسوم سلول خورشیدی لایه نازک CdTe 7
شکل ‏1‑5- تقسیم طیف خورشید به سه ناحیه ی مختلف برای جذب توسط سلول خورشیدی با سه پیوند پشته ای 10
شکل ‏1‑6- نمودار بازده بر حسب گاف انرژی برای الف.سلول تک پیوند ب. سلول دو- پیوند و ج. سلول سه- پیوند سری در حالت ایده آل 11
شکل ‏1‑7- نمایش مفهومی سلول ترموفوتوولتی(TPV) 12
شکل ‏1‑8- نمایش مفهومی سلول ترموفوتونی(TPX) 13
شکل ‏1‑9- فرآیندهای جذب جدید 13
شکل ‏1‑10- نمایش مفهومی سلول های خورشیدی MEL، الف.باند میانی ب. چاه کوانتومی 14
شکل ‏1‑11- نمایش مفهومی یک سلول خورشیدی با حامل داغ 15
شکل ‏1‑12- نانوسیم های با پیوند شعاعی و محوری(به ترتیب) 18
شکل ‏1‑13- انواع کاربرد نانوستون ها در سلول های خورشیدی 19
شکل ‏1‑14- مقادیر I_SC،V_OC و بازده( به ترتیب از چپ به راست) سلول خورشیدی مبتنی بر نانوسیم بر حسب غلظت آلایش 20

یک مطلب دیگر :

شکل ‏1‑15- ساختار نواری نانولوله کربن؛ الف) نیمه هادی(0و10)و ب) فلز(5و5) 21
شکل ‏2‑1- ساختار نواری گرافن در نزدیکی نقاط دیراک 28
شکل ‏2‑2- وابستگی جرم سیکلوترون به چگالی حامل در گرافن[53].مقادیر مثبت و منفی n  به ترتیب به چگالی الکترون و حفره اشاره دارند. 30
شکل ‏2‑3- مسیر آزاد میانگین(الف) و موبیلیتی حاملها(ب) در یک نمونه گرافن معلق، قبل(آبی) و بعد(قرمز) از بازپخت؛ و مقایسه ی آن با حالت بالیستیک(خط چین)[56] 32
شکل ‏2‑4- اثر میدان آمبایپلار در گرافن 33
شکل ‏2‑5- استفاده از اثر میدان آمبایپلار در یک آشکار ساز pin 34
شکل ‏2‑6- نانونوارهای آرمچر(الف) و زیگزاگ(ب) 37
شکل ‏2‑7- وابستگی عرض نانونوارهای آرمچر به عرض 37
شکل ‏4‑1- فلوچارت کلی شبیه سازی 51
شکل ‏4‑2- فلوچارت روش NEGF (با جزییات) 52
شکل ‏4‑3- سلول یکه و پارامترهای مورد نیاز A-GNR نمونه برای استفاده در مدل تنگ-بست 53
شکل ‏4‑4- ارتباط میان نمایش در فضای حقیقی و فضای مود[73] 55
شکل ‏4‑5- نمایش اثر اتصالات بر کانال در نمایش های فضای حقیقی و مود[73] 58
شکل ‏5‑1- پروفایل پتانسیل در حالت تاریکی 62
شکل ‏5‑2- منحنی جریان – ولتاژ در دو حالت : بدون تابش(آبی) و با وجود تابش نور (قرمز) 62
شکل ‏5‑3- منحنی توان سلول خورشیدی و تطابق آن با منحنی جریان-ولتاژ 62
شکل ‏5‑4- مشخصه های مهم سلول خورشیدی شبیه سازی شده 63

فصل 1-       مقدمه

1-1-           پیشگفتار

انرژی خورشیدی منحصربه‌فردترین منبع انرژی تجدید پذیر در جهان است و منبع اصلی تمامی انرژی‌های موجود در زمین می‌باشد. این انرژی به صورت مستقیم و غیرمستقیم می­تواند به اشکال دیگر انرژی تبدیل گردد[[i]].
به طور کلی انرژی متصاعد شده از خورشید در حدود  3.8e23 کیلووات در ثانیه می‌باشد. ایران با داشتن حدود ۳۰۰ روز آفتابی در سال جزو بهترین کشورهای دنیا در زمینه پتانسیل انرژی خورشیدی می‌باشد. با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران و پراکندگی روستاهای کشور، استفاده از انرژی خورشیدی یکی از مهم­ترین عواملی است که باید مورد توجه قرار گیرد. استفاده از انرژی خورشیدی یکی از بهترین راه های برق رسانی و تولید انرژی در مقایسه با دیگر مدل­های انتقال انرژی به روستاها و نقاط دور افتاده در کشور از نظر هزینه، حمل‌نقل، نگهداری و عوامل مشابه می‌باشد[1].
با توجه به استانداردهای بین‌المللی اگر میانگین انرژی تابشی خورشید در روز بالاتر از ۳.۵ کیلووات ساعت در مترمربع باشد استفاده از مدل­های انرژی خورشیدی نظیر کلکتورهای خورشیدی یا سیستم‌های فتوولتائیک بسیار اقتصادی و مقرون به صرفه است. این در حالی است که در بسیاری قسمت­های ایران، انرژی تابشی خورشید بسیار بالاتر از این میانگین بین‌المللی می‌باشد و در برخی از نقاط حتی بالاتر از ۷ تا ۸ کیلووات ساعت بر مترمربع اندازه­گیری شده است ولی بطور متوسط انرژی تابشی خورشید بر سطح سرزمین ایران حدود ۴.۵ کیلو وات ساعت بر مترمربع است[1].

1-2-           تاریخچه­ی سلول­های خورشیدی

اثر فوتوولتاییک اوّلین بار در سال 1839 توسط بکویه­رل[1]، فیزیکدان فرانسوی، به صورت تجربی نشان داده شد[[ii]] . پس از آن چارلز فریتز[2] در سال 1883 توانست اوّلین سلول خورشیدی حالت جامد را بسازد. او نیمه­هادی سلنیم را با لایه­ی نازکی از طلا پوشانده بود تا بتواند یک پیوند شکل دهد و با این کار توانسته بود به بازده 1% دست یابد. در سال 1946 راسل اُهل[3] موفّق شد یک سلول خورشیدی با پیوند مدرن بسازد.
با این حال اوّلین سلول خورشیدی کاربردی[4] در سال 1954، در آزمایشگاه بل[5]، ساخته شد. چاپین[6]، فولر[7] و پیرسون[8] برای ساخت این سلول از یک پیوند p-n نفوذی سیلیکون[9] استفاده کرده توانستند به بازده 6% دست یابند[2].
سلول­های پیشرفته­ی اوّلیه با استفاده از ویفر[10]های سیلیکن و ژرمانیوم به دست آمدند. پس از آن سلول­هایی ساخته شدند که در آن­ها از لایه­های نازک[11] سیلیکن یا دیگر نیمه­هادی­ها به جای ویفر استفاده می­شد. هم اکنون علاوه بر این دو نوع سلول خورشیدی از سلول­های متعدّد دیگری چون سلول­های پلیمری، ارگانیک، رنگ دانه­ای( حسّاس شده با رنگ[12])، چند پیونده و … بهره گرفته می­شود.
در این فصل انواع مهم سلول­های خورشیدی، که در سه نسل دسته­بندی شده­اند، به شکل مختصر مورد بررسی قرار می­گیرند: نسل اوّل( شامل سلول­های کریستالی سیلیکون[13]) نسل دوم( شامل سلول­های گوناگونی که در آن­ها از لایه­های نازک نیمه­هادی استفاده می­شود) و نسل سوم( شامل سلول­هایی که طرّاحی آن­ها به گونه ایست که می­توانند بازدهی فراتر از حدّ شاکلی- کوییزر دست یابند).

1-3-           انواع سلول­های خورشیدی

1-3-1-       نسل اوّل سلول های خورشیدی (سلول های کریستالی سیلیکون)

در این دسته از سلول­های خورشیدی، از ویفرهای سیلیکون به عنوان نیمه­هادی فعّال استفاده می­شود. سیلیکون با گاف انرژی ev1.12 مادّه­ای بسیار مناسب برای جذب طیف خورشید به حساب می­آید. همچنین از نظر فراوانی در طبیعت دومین عنصر به شمار می­رود. این بدان معناست که دست یابی به سیلیکون خام هزینه­ی چندانی نخواهد داشت و نگرانی­ای هم برای اتمام منابع آن وجود ندارد.
برای دست­یابی به هدایت بالا، افزایش طول عمر سلول و جلوگیری از افت بازده( بر اثر بازترکیب حامل­ها) سیلیکون را به صورت تک کریستال و با کیفیت بالا مورد استفاده قرار می­دهند. گاهی نیز برای کاهش هزینه­ها از سیلیکون چند- کریستال بهره گرفته می­شود.

1-3-1-1-      فرآیند رشد کریستال­های نیمه­هادی ها

شرایط رشد بلور( کریستال)های نیمه­هادی که برای ساخت قطعات الکترونیک استفاده می­شود بسیار دقیق­تر و مشکل­تر از شرایط سایر مواد است. علاوه بر این که نیمه­هادی­ها باید به صورت کریستالی در دسترس باشند، باید خلوص آن­ها نیز در محدوده­ی بسیار ظریفی کنترل شود. مثلا تراکم بیشتر ناخالصی­های مورد استفاده در بلورهای Si امروزی کمتر از 1 قسمت در ده میلیارد است. چنین درجاتی از خلوص مستلزم دقّت بسیار در استفاده و به کارگیری مواد در هر مرحله از فرآیند ساخت است[[iii]].
نیمه­هادی­های تک عنصری Si و Ge از تجزیه­ی شیمیایی ترکیب­هایی مانند GeO₂، SiCl₄ و SiHCl₃ به دست می­آیند. پس از جداسازی و انجام مراحل اوّلیه­ی خالص­سازی، ماده­ی نیمه­هادی را ذوب کرده و به صورت شمش­[14]هایی در می­آورند. Si یا Ge به دست آمده بعد از مرحله­ی بازپخت[15] به صورت چند بلوری است.