وبلاگ

به دلیل افزایش جمعیت و بالارفتن مصرف انرژی در کشورهای درحال توسعه پیش­بینی می­شود تا سال 2030 سوخت­های فسیلی دیگر جواب­گوی نیازهای بشر نخواهند بود و جهان با بحران کمبود انرژی روبرو خواهد شد و برای حل این مشکل باید به سراغ منابع دیگر انرژی رفت. تلاش برای جایگزینی سوخت­های فسیلی با سوخت­های تجدید پذیر و پاک از نیمه دوم قرن 21 به صورت جدی آغاز شده و در سال­های اخیر دولت­ها سرمایه­گزاری­های هنگفتی در این زمینه انجام داده­اند. در این بین سلول­های خورشیدی که برای استفاده از انرژی خورشید طراحی شده­اند جایگاه ویژه­ای در بین محققان پیدا کرده­اند. از زمان پیدایش تاکنون نسل­های مختلفی از سلول­های خورشیدی ساخته شده که هرکدام نسبت به نسل قبلی برتری­هایی داشته­اند. نوع اول به سلول­های فوتوولتاییک سیلیکون ویفری مشهور هستند و در حال حاضر بالای نزدیک به 70 درصد بازار را به خود اختصاص داده­اند. بیشتر از سیلیکون تک کریستالی و چند کریستالی استفاده می­شود. بازدهی آنها هم تا بالای 20 درصد رسیده است. نوع دوم سلول­های خورشیدی فوتوولتاییک به سلول­های لایه نازک مشهور هستند. سیلیکون آمورف، کادمیوم تلوراید و  موادی هستند که برای ساخت این نوع سلول­ها به کار می­روند. بازدهی آنها به بالای 10% رسیده است ولی قیمت بر حسب وات خروجی پایین تری دارند. وزن پایین و شرایط کاری بهتر مزیت دیگر آنها هستند. نوع سوم سلول­های خورشیدی که در حال حاضر بیشتر توجهات جامعه علمی را به خود اختصاص داده­اند، شامل نانوکریستال­های حساس شده با رنگدانه[1]، فوتوولتاییک­های آلی بر پایه پلیمر، سلول­های خورشیدی چند پیوندی و سلول­های فوتوولتاییکی گرمایی هستند [1،2]. سلول­های چند­پیوندی تقریباً 2 برابر توان خروجی بیشتر از نوع اول دارند. بازدهی تئوری آنها هم از انواع دیگر خیلی بیشتر است. بازدهی آنها به بالای 40% رسیده است [3،4] و امروزه از آنها بیشتر در فضا پیماها و ماهواره­ها استفاده می­کنند. در حال حاضر انسان از بخش کوچکی از این انرژی استفاده می­کند و دلیل آن در بازدهی پایین سلول­های خورشیدی موجود است. برای جبران این خلأ باید بازدهی و قیمت تمام شده سلول فوتوولتاییک کاهش یابد.

 

 تلاش محققان بیشتر بر روی بازدهی بیشتر و قیمت ارزان­تر متمرکز شده است. در سال­های اخیر محققان دریافتند که استفاده از نانوذرات در سلول­های خورشیدی فیلم-نازک باعث افزایش جریان فوتونی آنها می­شود. این اثر به تحریک پلاسمون­های سطح نانوذرات توسط نور فرودی ربط داده می­شود. بنابراین این نوع ساختارها به سلول­های خورشیدی پلاسمونی معروف شدند. نانو ذرات می­توانند در ابعاد و اشکال متنوعی ساخته ­شوند و بسته به روش­ ساخت می­توان نانو ذرات فلزی را به اشکال کروی، مثلثی، پنج ضلعی و شش ضلعی و اشکال تصادفی تولید کرد. به منظور استفاده از پتانسیل بالای نانو ذرات فلزی مراحل ساخت،  فرایند شکل­گیری و رشد را برای به دست آوردن نانو ذرات یکنواخت با اندازه و شکل معین می­بایست کنترل کرد. گسترش روزافزون تحقیقات در حوزه حسگرهای پلاسمونی، موجب شکل گیری روش­های مختلف تئوری در توصیف عملکرد آن­ها شده است.

 

1-2 سیر تحول سلول­های خورشیدی فیلم-نازک

 

 همانطور که گفتیم در حال حاضر بیشتر سلول های خورشیدی موجود در بازار بر پایه سیلیکون کریستالی ویفری هستند که  ضخامتی در حدود 200 میکرون دارند. حدود 40% قیمت آنها برای ویفر­های سیلیکونیشان است. با نازک­شدن لایه­ی سیلیکونی علاوه بر کاهش هزینه ساخت، مسیر انتشار حامل­ها کوتاه­تر شده و در نتیجه بازترکیب حامل­ها کمتر می­شود.  بنابراین بیشتر تحقیقات در سال های اخیر بر روی ساخت سلول­های خورشیدی نازکتر و با بازدهی بیشتر متمرکز شده است. در حال حاضر این نوع سلول­های خورشیدی از نیمرساناهایی مانند کادمیوم-تلوراید، مس-ایندیوم و سیلیکون چند بلوری[2]  بر روی زیرلایه­های ارزانی چون شیشه و پلاستیک ساخته می­شوند. مشکل اصلی

 این ساختارها جذب کم در ناحیه نزدیک گاف بود. این عیب برای نیمرساناهایی با گاف غیر مستقیم، برجسته­تر است. بنابراین برای افزایش جذب، سلولهای خورشیدی باید طوری ساخته شوند که نور را در خود نگه دارد. در ابتدا برای محبوس سازی نور در سیلیکون از سلولهای ویفر مانند استفاده می­کردند. در این روش هرم­هایی با اندازه 2-10 میکرون برای محبوس سازی نور در سطح تزریق می­شود. به هرحال هرمهایی با این ابعاد برای فیلم­های نازک کارایی ندارد. در مرحله بعد برای حل این مشکل ساختارهایی با ابعاد طول موج را روی زیر لایه نشاندند و سپس فیلم نازک را روی آن گذاشتند و جریان فوتونی[3] تا حد زیادی افزایش پیدا کرد [5] ولی در سطوح صاف بازترکیب حامل­ها افزایش می­یابد که این اثر مخربی برای سلول­های خورشیدی است. یکی از راه­هایی که در سال های اخیر برای محبوس سازی نور در سلول­های خورشیدی فیلم نازک و افزایش جذب نور مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از پراکندگی از نانوذرات فلزی است که در فرکانس تشدید پلاسمون های سطحی تحریک شده اند[6-9]. این روش منجر به افزایش جریان فوتونی تا 16 برابر در طول موج­های بلند در سلول خورشیدی سیلیکون- عایق با ضخامت 25/1 میکرون شده است. همچنین در ناحیه طیف خورشید این افزایش تا 30% رسیده است[6].

 

1-3 پلاسمون

 

 به نوسانات الکترون­های آزاد و سطحی یک محیط ، پلاسمون می‌گویند. از یک نمای کلاسیکی پلاسمون­ها می­توانند به عنوان نوسان چگالی الکترون­های آزاد نسبت به یون­های مثبت در یک فلز توصیف شوند. پلاسمون­ها کوانتوم نوسانات الکترونی می­باشند. پلاسمون نقش عمده‌ای در خواص نوری فلزات دارد. نور با فرکانس کمتر از فرکانس پلاسما بازتاب و جذب می‌شود، زیرا نوسان الکترون‌ها در فلز باعث پراکندگی و بازتاب نور می­شوند. نور با فرکانس بالای فرکانس پلاسما از فلز عبور می‌کند، زیرا الکترون­ها نمی­توانند به اندازه کافی سریع نوسان ­کنند و نمی­توانند به این فرکانس­ها پاسخ سریع دهند. بسیاری از فلزات که فرکانس پلاسمای آن‌ها درناحیه ماورای‌بنفش است در ناحیه مرئی بازتابنده هستند. برخی از فلزات، مانند مس و طلا، در ناحیه مرئی دارای گذارهای نوار الکترونی هستند. در نتیجه برخی طول موج­ها جذب می‌شوند. در نیمه‌هادی‌ها، فرکانس پلاسمای الکترون ظرفیت معمولاً در طول­موج­های زیاد منطقه ماوراء بنفش است و به همین دلیل آنها نیز بازتابنده هستند[8].

 

میدان­های الکترومغناطیسی القایی می­توانند در هندسه و توپولوژی­های گوناگون وجود داشته باشند. برای مثال پلاسمون­های سطحی موضعی در نانوذرات فلزی که ناشی از نوسانات الکترون­های رسانش فلز هستند و با میدان الکترومغناطیسی کوپل شده­اند و تأثیر زیادی روی جذب و پراکندگی ذرات دارند را به صورت ساده زیر توضیح می­دهیم. 

 

رابطه پاشندگی برای این امواج با فرض تقریب الکترواستاتیک و حل معادله­ی لاپلاس و در نظرگرفتن شرایط مرزی مناسب، به­دست می­آیند. تقریب الکترواستاتیک تا زمانی که ابعاد سیستم از طول موج کوچکتر باشد معتبر است. بعد از بدست آوردن توزیع میدان می­توان وابستگی زمانی آن را لحاظ کرد. برای مثال ذره کروی فلزی با شعاع a در محیط دی­الکتریکی و تحت تابش میدان E0  قرار گرفته است.

 

شکل (1-1) کره فلزی یکنواخت در میدان الکترواستاتیک

 

 جواب معادله­ی لاپلاس برای پتانسیل الکترواستاتیک در داخل و خارج کره به صورت زیر بدست می­آید:

 

 

 

 

 

 

همانطور که از رابطه (1-3) مشخص است در ناحیه­هایی که  کمینه است (شرط فرولیخ[5]) تشدید قطبش­پذیری رخ می­دهد و مد مرتبط را پلاسمون سطحی دوقطبی می­گویند. میدان دوقطبی با  کاهش می­یابد بنابراین این میدان­های موضعی با فاصله گرفتن از سطح به سرعت کاهش می­یابند. خاصیت تشدیدی قطبش­پذیری روی جذب و پراکندگی نانوذره فلزی تاثیر می­گذارد.  سطح مقطع جذب و پراکندگی از رابطه­های زیر بدست می­آیند[8]:

 

 

 

 

 

(4) بنابراین میزان جذب و پراکندگی نانوذرات به اندازه آنها و طول­موج نور فرودی بستگی دارد و در برخی از طول موج­ها بیشینه است. فرکانس تشدید به اندازه ذرات بستگی دارد. برای نانوذرات با شکل­های متفاوت می­توان میزان جذب و پراکندگی را استخراج کرد.

 

-4 تاریخچه استفاده از نانوذرات در سلول خورشیدی

 

 هال[6] برای اولین بار نشان داد که با نشاندن نانوذرات نقره روی لایه سیلیکونی با ضخامت 165 نانومتر می توان جریان فوتونی را تا 18 برابر در طول موج 800 نانومتر افزایش داد[10]. پس از آن گروهی دیگر با نشاندن نانوذرات طلا روی سلول خورشیدی ویفری در طول موج 500 نانومتر تا 80% عملکرد آن را بهبود بخشیدند[11]. درکاس[7] و همکارانش با نشاندن نانوذرات طلا روی لایه نازک بی­نظم سیلیکون توانستند بازدهی تبدیل سلول خورشیدی را 8% بالا ببرند[12]. سپس پیلای[8]  با استفاده از نانوذرات نقره عملکرد یک سلول خورشیدی سیلیکون- عایق (سیلیکون روی عایق) با ضخامت 25/1 میکرون و یک سلول خورشیدی مسطح ویفری را به ترتیب 33% و 19% بهتر کردند[13،15]. استفاده از این نانوذرات در سلول­های خورشیدی که از سایر نیمرساناها استفاده می­کنند هم باعث ارتقای عملکرد می­شود[15-17].

 

افزایش جریان فوتونی به وسیله نانوذرات از دو طریق صورت می­گیرد. اولی پراکندگی نور از طریق این نانوذرات و دومی تقویت نور میدان نزدیک[9] است. میزان هر دو اثر به شکل ذرات و ساختار سلول بستگی دارد [18-21].