توضیحات

 

پروژه شبیه سازی سلول خورشیدی پروسکایتی در نرم افزار SETFOS

 

Simulation of Perovskite Solar Cell in SETFOS Software

 

با توجه به نیاز روزافزون بشر به انرژی، دستیابی انرژی‌های تجدیدپذیر به عنوان یک جایگزین مناسب برای سوخت‌های فسیلی یک ضرورت برای توسعه پایدار جوامع بشری است. تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی توسط سلول‌های خورشیدی یک راه پایدار و امیدوار کننده می‌باشد. در چندین سال اخیر، سلول‌های خورشیدی پروسکایتی به دلیل ویژگی‌های عالی از جمله طیف جذب نور وسیع، طول نفوذ بار طولانی و افزایش سریع و چشم‌گیر بازده تبدیل توان به عنوان یکی از اعضا جدید فناوری‌های فتوولتائیک به شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند. امروزه جهان به سوی استفاده از انرژی های تجدیدپذیر و فناناپذیری همچون انرژی باد، خورشید و غیره میرود. از این رو استفاده از سلول های خورشیدی مقرون به صرفه با کارایی بالا و پایدار در محیط، به شدت مورد توجه بازار تجاری و محققان قرار گرفته است. سلول های خورشیدی نسل اول، شامل crystalline silicon solar cells  و نسل دوم، شامل کادمیوم تلوراید یا مس ایندیوم گالیوم سلنید، به دلیل هزینه ساخت بالا برای مصارف عمومی کاربردی نیستند. از این رو محققان در تلاش هستند که از سلول های خورشیدی نسل سوم یعنی Perovskite solar cells  که هزینه ساخت کمتری نسبت به نسلهای قبلی دارند، استفاده کنند.

انرژی خورشیدی:

انرژی خورشیدی یکی از بهترین منابع تولید کننده انرژی است و انرژی حاصل از آن، حدود ۶۰۰۰ برابر مصرف جهانی انرژی است و کمتر از ۲٪ منابع انرژی خورشیدی برای جایگزین کردن کامل سوخت های فسیلی و انرژی هسته ای کافی است. خورشید سالانه معادل ²⁴ 10*3 ژول انرژی تولید می کند که این مقدار ده هزار برابر بیش از مصرف انرژی جمعیت کنونی جهان است، بنابراین، اگر تنها ۱٪ سطح کره زمین به وسیله سلول های خورشیدی با بازده ۱۰٪ پوشانده شود، انرژی لازم برای جهان تأمین می شود یکی از روش های استفاده از این منبع انرژی به کارگیری سلول های خورشیدی است.

شکل  نیروگاه برق خورشیدی.

 

مبنای عملکرد سلول های خورشیدی:

اثر فتوولتائیک از چهار مرحله اساسی شامل جذب نور، تولید الکترون – حفره، انتقال بار و جمع آوری آن تشکیل شده است. هر سلول خورشیدی تنها ۱ یا ۲ وات انرژی الکتریسیته تولید می کند. معمولاً این سلولهای خورشیدی به هم متصل می شوند تا یک سیستم خورشیدی بزرگ بنام صفحه ی خورشیدی را به وجود آورند. یک سلول خورشیدی علاوه بر تولید الکتریسیته، دارای یک باتری نیز می باشد که انرژی الکتریسیته به دست آمده را برای شب و یا روزهای ابری ذخیره می کند. تنها مشکلی که از توسعه گسترده این انرژی جلوگیری کرده است، هزینه تمام شده نسبتا بالای آن است که امکان رقابت آن با سایر انرژی ها مانند هسته ای و فسیلی را هنوز ممکن نکرده است. تلاش های دانشمندان در راستای بازده و کاهش قیمت این سلولها در کنار ابداع روش های آسان برای ساخت و تهیه این سلولها در ابعاد بزرگ است.

شکل صفحه خورشیدی متشکل از چند سلول.

سلول های خورشیدی از مواد نیمه رسانا ساخته می شوند؛ زیرا برای تولید ولتاژ الکتریکی به گاف انرژی بین ترازهای انرژی الکترونی و درواقع به یک پیوند p-n نیاز است. با اتصال یک نیمه رسانای نوع p به یک نیمه رسانای نوع n، الکترون ها از ناحیه n به ناحیه p و حفره ها از ناحیه p به ناحیه n منتقل می شوند. با انتقال هر الکترون به ناحیه p، یک یون مثبت در ناحیه n و با انتقال هر حفره به ناحیه n، یک یون منفی در ناحیه p باقی می ماند. یون های مثبت و منفی میدان الکتریکی داخلی ایجاد می کنند که جهت آن از ناحیه n به ناحیه p است. این میدان با انتقال بیشتر حامل ها(الکترون ها و حفره ها)، قویتر شده تاجاییکه انتقال خالص حامل ها به صفر می رسد. در این شرایط ترازهای فرمی دو ناحیه با یکدیگر هم سطح شده اند و یک میدان الکتریکی داخلی نیز شکل گرفته است. اگر در چنین شرایطی، نور خورشید به پیوند بتابد، فوتون هایی که انرژی آنها از انرژی شکافت نیمه رسانا بیشتر است، زوج الکترون-حفره تولید کرده و زوج هایی که در ناحیة تهی(واقع در فصل مشترک p-n) یا حوالی آن تولید شده اند، شانس زیادی دارند که قبل از بازترکیب توسط میدان داخلی پیوند از هم جداشوند. میدان الکتریکی، الکترونها را به ناحیه n و حفره ها را به ناحیه p سوق میدهد. به این ترتیب تراکم بار منفی در ناحیه n و تراکم بار مثبت در ناحیه p زیاد می شود. این تراکم بار به شکل ولتاژی در دو سر پیوند قابل اندازه گیری است. اگر دو سر پیوند با یک سیم، به یکدیگر اتصال کوتاه شود، الکترون های اضافی ناحیه n، از طریق سیم به ناحیه p رفته و جریان اتصال کوتاهی را شکل می دهند. اگر به جای سیم از یک مصرف کننده استفاده شود، عبور جریان از مصرف کننده به آن انرژی میدهد. بنابراین انرژی فوتون های نور خورشید به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

انواع مختلف سلول های خورشیدی:

سلول های خورشیدی را به روش های مختلف گروه بندی می کنند. مثلا با توجه به ویژگی های ساختار آن، مواد استفاده شده و از لحاظ زمانی دسته بندی های متفاوتی انجام میشود.

سلول های خورشیدی نسل اول:

در حال حاضر بازار سلول های خورشیدی در اختیار سلول های سیلیکونی (نسل اول) با سهم ۸۵٪ می باشد که این امر، ناشی از بازدهی و استحکام خوبشان است. از بزرگترین معایب این نوع سلول ها می توان به هزینه تولید بسیار بالا، ضخامت بالا (300-400 میکرون) و شکننده بودن آن اشاره کرد. نیاز به کریستال های سیلیکونی با درجه خلوص بالا، دمای بالا برای ساخت و مصرف مقدار زیاد مواد، از عوامل هزینه بالای این سلول هاست. عناصر گروه هایIIIA و VA  جدول تناوبی برای ساخت این سلول های خورشیدی مورداستفاده قرار می گیرد. با وجود هزینه بالای تولید این نوع سلول ها، بازده ۲۵٪ آن می تواند معایب آن را جبران کند.

سلول های خورشیدی نسل دوم:

فناوری نسل دوم یا فناوری لایه نازک، براساس لایه نشانی نیمرسانا بر روی بسترهای شیشه ای، فلزی یا پلیمری باضخامت هایی در حدود چند نانومتر است. هزینه مواد اولیه در فناوری نسل دوم، پایین تر است. از آن گذشته، اندازه این نسل از سلول ها تا ۱۰۰ برابر بزرگتر از اندازه سلول های ساخته شده با فناوری نسل اول است که مزیتی برای تولید انبوه آن محسوب می شود. با این وجود، بازدهی سلول های نسل اول، که اغلب سلول های بازار را تشکیل می دهد، به دلیل کیفیت بالاتر مواد، از بازدهی سلول های نسل دوم بیشتر است. این تکنولوژی (فناوری نسل دوم) یکی از دستاوردهای بشر در سال های ۱۹۸۰ میلادی تا ۱۹۸۲ میلادی بوده است که نخستین بار توسط بوئینگ معرفی شد. بازدهی سلول های خورشیدی لایه نازک، طی این دو سال از 7.5% به 10% رسید. سپس بازده سلول های خورشیدی لایه نازک در سال ۱۹۸۷ میلادی توسط مایکل و همکارانش به 16.1% رسانده شد. سرانجام در سال ۱۹۸۸ میلادی اولین سلول خورشیدی لایه نازک تجاری به نام مس ایندیوم – گالیوم آرسنید تولید شد. این دسته از سلول ها یک سهم 15% در بازار فروش دارد و اکثرا مبتنی بر کادمیوم تلوراید است؛ هرچند که پنل های فتوولتائیک مبتنی بر مواد دیگر هم به مرحله تجاری سازی رسیده و وارد بازار شده است. بازدهی سلول های خورشیدی نسل اول و دوم حتی در بهترین حالت نمی تواند از حدود 30% بیشتر شود. این در حالی است که حد نظری چرخه کارنو برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی ۹5% است و این مقدار تقریبا سه برابر بیشتر از بازدهی نهایی سلول های نسل اول و دوم است. بنابراین انتظار می رود دستیابی به سلول هایی با بازدهی دو تا سه برابر بازدهی کنونی امکان پذیر باشد.

سلول های خورشیدی نسل سوم:

از جدیدترین انواع سلول های خورشیدی می توان به سلول های خورشیدی رنگدانه ای، نقطه کوانتومی و سلول های خورشیدی چاه کوانتومی و سلول های خورشیدی پروسکایتی اشاره کرد که از جمله سلول های خورشیدی نسل سوم یا جدید است. مهمترین مسائل در ساخت سلول های خورشیدی، هزینه تولید، بازدهی و طول عمر آنها است. به همین دلیل امروزه سلول های خورشیدی آلی و پلیمری نسبت به سلول های معدنی به دلیل خواصی مانند انعطاف پذیری، هزینه کم و روش ساخت آسان تر بسیار موردتوجه محققان قرار گرفته است. بعلاوه تلاش در جهت افزایش طول عمر و بازدهی آنها همچنان ادامه دارد.

سلول های خورشیدی پروسکایتی(Perovskite solar cell):

بادرنظرگرفتن معایب و مزایای کاربرد مواد آلی و معدنی در سلول های خورشیدی دانشمندان در سال ۲۰۰۹ سلول های پروسکایتی که در آنها مواد آلی و معدنی، با ساختار خاصی ترکیب شده اند را معرفی کردند. این سلول ها که سلول های هیبرید-پروسکایتی نیز نامیده می شوند شامل ادغام دو ماده نیمه رسانای آلی و معدنی می باشند. درواقع ادغامی از خواص منحصربه فرد نیمه رساناهای معدنی با خواص فیلم ساختی پلیمرهای مزدوج می باشد که شامل مواد آلی یا پلیمرهای مزدوج جاذب نور به عنوان الكترون دهنده و یا انتقال دهنده حفره عمل می کنند و مواد معدنی که در این نوع سلولها به عنوان الكترون گیرنده و انتقال دهنده الکترونها استفاده می شوند.

پروسکایت:

اولین نمونه از پروسکایت ها، ترکیباتی معدنی با فرمول CaTiO₃ در سال ۱۸۳۱ توسط دانشمند روسی کشف شدند که ساختار آنها یکی از ساختارهای سه تایی مواد به صورت مکعبی با فرمول عمومی ABX₃ می باشد. معمول ترین شکل آن حالتی است که A در مرکز مکعب و یون های B در گوشه های مکعب و توسط ۶ یون منفی X به صورت اكتاهدرال احاطه شده اند.

شکل ساختار مکعبی پروسکایت.

 

باوجودی که کاتیون های مختلفی ممکن است دارای اندازه مناسب برای اشغال سایت های A باشند، ولی موقعیت A معمولا با یون های قلیایی، قلیایی خاکی و یا خاکی کمیاب اشغال می شود. همین طور فلزات واسطه معمول ترین گزینه برای اشغال سایت های B می باشند. مواد با ساختار پروسکایت دارای خواص متفاوتی هستند که این خواص تحت شرایط مختلف دمایی و فشار می توانند تغییر کنند. همچنین با تغییر هر یک از اتم های A يا B و یا X مشاهده می کنیم که خواص ماده تغییر می کند.

پروسکایت های هیبریدی آلی – معدنی:

مواد هیبریدی آلی – معدنی با ساختار پروسکایت داشتن همزمان مزایای مواد آلی (از جمله انعطاف پذیری و فرایند پذیری آسان) و مزایای مواد معدنی (مانند استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر حرارت) بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. به این ترتیب که در آنها خواص مطلوب معدنی و آلی با غلبه بر محدودیت هر یک، به طور مشترک مورد بهره برداری قرار می گیرند. همچنین ساختارهای هیبریدی با بازدهی بالا و با استفاده از اثر جابجایی طول موج، عملکرد ضعیف سلول های خورشیدی را در ناحیه ماوراء بنفش بهبود می بخشند. به این ترتیب که هیبریدهای آلی – معدنی با بازه جذب گسترده تر، فوتون های با انرژی بالاتر، در ناحیه ماوراء بنفش را جذب و موجب گسیل فلورسانس در طول موج های بین ۵۰۰ تا ۶۰۰ نانومتر یعنی در جایی که بازده کوانتومی سلول خورشیدی بیشتر است، می گردند و درنتیجه باعث بهبود بازده عملکرد سلول خورشیدی می شوند. آزمایش های متعدد در کشورهای مختلف نیز بهره وری بالاتر مواد پروسکایتی در تبدیل نور خورشید به انرژی فتوولتائیک را گزارش داده اند. بنابراین مواد هیبریدی آلی – معدنی با ساختار پروسکایت را می توان به عنوان لایه های جاذب نور در سلول های خورشیدی بکار برد.

برای مقایسه عملکرد و بازده سلول ها نیاز به اندازه گیری برخی کمیت ها داریم که عبارتند از:

اندازه گیری جریان – ولتاژ:

اندازه گیری جریان-ولتاژ(V-I) مهمترین و متداول ترین روش برای سنجش عملکرد فتوولتائیک در سلولهای خورشیدی است. معمولا از شدت تابش استاندارد AM=1.5 که مطابق با زاویه فرود تابش خورشیدی ۴۸ درجه نسبت به راستای عمود می باشد و میانگین تابندگی ۱۰۰۰ وات بر متر مربع(W/m²) را می دهد برای مشخصه یابی سلول های خورشیدی استفاده می شود. این شرایط استاندارد برای مقایسه مشخصات سلول خورشیدی در آزمایشگاه های مختلف در کل دنیا توسط انجمن آمریکایی آزمون و مواد(ASTM1) تعریف شده است. این شرایط تعیین می کند که  دمای سلول باید ۲۵ درجه سانتی گراد بوده و تابش پرتو خورشیدی فرودی روی سلول باید دارای چگالی توان کل ۱۰۰ میلی وات بر سانتیمتر مربع ( mW/cm² ) باشد که به عنوان توزیع توان طیفی 1.5=AM مشخص شده است. معمولا مشخصه یابی I-V برای سلول تحت تابش با نمودار جریان – ولتاژ نشان داده میشود.

ولتاژ مدار باز (Voc):

بیشینه ولتاژ قابل استخراج از سلول را تحت عنوان ولتاژ مدار باز سلول می نامند. حالت مدار باز به حالتی گفته می شود که جریان در سلول صفر است.

چگالی جریان اتصال کوتاه (Jsc):

جریان اتصال کوتاه در شرایطی اندازه گیری می شود که پتانسیل اعمال شده، برابر صفر ولت باشد. چگالی جریان اتصال کوتاه برابر است با جریان اتصال کوتاه تقسیم بر مساحت ناحیه فعال سلول. Jsc به میزان زیادی به الکترون های تولید شده و باز ترکیب داخلي الكترونها و حفره ها بستگی دارد.

بیشینه توان خروجی (Pmax):

برای یک ولتاژ مستقیم داده شده توان خروجی سلول برابر است با حاصل ضرب جریان و ولتاژ: P = I*V. بیشینه توان خروجی مساحت بزرگترین مستطیلی است که داخل نمودار IV میتوان رسم کرد.

بازده :

مهمترین پارامتر برای ارزیابی عملکرد یک سلول خورشیدی بازده تبدیل نور به الکتریسیته است. بازده به صورت نسبت بیشترین توان الکتریکی خروجی به توان تابشی فرودی روی سطح سلول خورشیدی بیان می شود و با چگالی جریان اتصال کوتاه، ولتاژ مدار باز و ضریب پرشدگی بستگی دارد.

ساختار پروسکایت:

پروسکایت یک ماده معدنی می باشد که برای اولین بار در کوه های اورال کشف شد و به افتخار کاشف معدن شناس روسیه ای لوپروسکی، پرو سکایت نامیده شد. هر ساختاری شبیه ساختار ماده پروسکایت را  ساختار پروسکایت می نامند. ماده پروسکایت ترکیبی از کلسیم، تیتانیوم و اکسیژن با فرمول شیمیایی CaTiO3 می باشد. در حالت کلی مواد دارای ساختار پروسکایت دارای فرمول شیمیایی به شکل ABX3 هستند. از آنجایی که محققان در زمینه سلول خورشیدی پروسکایت با ماده پروسکایت سروکار ندارند پروسکایت و ساختار پروسکایت اصطلاحا به جای یکدیگر به کار می روند. ساختار پروسکایت به صورت مکعبی بوده که کاتیون بزرگ A در مرکز مکعب قرار دارد و هشت رأس مکعب توسط کاتیون کوچک B اشغال شده است. آنیون X نیز در مرکز وجوه مکعب قرار دارند. بسته به اینکه چه اتم یا مولکولی به جای A و Bو X قرار بگیرد پروسکایت می تواند خواص مختلف اپتیکی، الکترونیکی و مغناطیسی از خود نشان دهد.

شکل ساختار پروسکایت.

 

ویژگی های پروسکایت:

آن چیزی که باعث شد پروسکایت توجه زیادی را به خود جلب کند ویژگی های جالب اپتیکی و الکترونیکی آن می باشد. این ویژگی ها عبارت اند از:

گاف انرژی مستقیم:

به کار گرفتن مواد با گاف انرژی مستقیم منجر به جذب بیشتر نور و همچنین اتلاف کم انرژی می شود.

انرژی قابل تنظیم:

یکی از ویژگی های بسیار جذاب مواد پروسکایت، گاف انرژی قابل تنظیم آن می باشد که می توان با تعویض هالوژن و استفاده از هالوژن های مناسب و همچنین ترکیبی از هالوژن های مختلف پروسکایت هایی با رنگها و گاف های انرژی مختلف ایجاد کرد. همچنین پروسکایت های مختلط نسبت به پرو سکایت های ثابت مانند CH3NH3PbI3 پایداری شیمیایی بالاتری دارد. زیرا پروسکایت در حضور رطوبت به PbI2 تجزیه میشود.

ضریب جذب بالا:

لبه جذب پروسکایت از ۸۰۰ نانومتر می باشد و این ویژگی آن را جاذب خوب نور می کند. اک سیتون تولید شده در پرو سکایت به وسیله جذب نور دارای انرژی بستگی بسیار کم (در حدود 0.03 الكترون-ولت) می باشد که این نشان می دهد در دمای اتاق اکثر اکسیتون ها به سرعت جداشده و به حامل های بار آزاد تبدیل میشود

تحرک بالای حامل های بار:

از آنجایی که جرم مؤثر الكترون و حفره ایجاد شده در پروسکایت کم میبا شد تحرک حامل های بار در این مواد بالا است

طول پخش بالای الکترون و حفره:

با توجه به زمان بالای باز ترکیب الكترون حفره در پروسکایت، طول پخش حامل ها بالا بوده و از ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ نانومتر میباشد

طراحی و شبیه سازی سلول های خورشیدی پروسکایتی:

ساختمان سلول های خورشیدی پروسکایتی عموماً از یک پروسکایت جاذب نور، دو لایه ماده انتقال دهنده الكترون و حفرهی آلی یا معدنی در دو طرف پروسکایت و الکترودهای فلزی(معمولا ITO و یا FTO که مقاومت الکتریکی پایین و عبور اپتیکی بالا دارند) در بالا و پایین سلول می باشد. در سلول های خورشیدی پروسکایت برخلاف سلول های خورشیدی سیلیکونی که هر دو عملکرد توليد الكترون حفره و جداسازی آنها توسط خود سیلیکون انجام می شد در این سلول ها تنها تولید الکترون حفره توسط پروسکایت انجام می شود و وظیفه جداسازی و انتقال آنها توسط ماده های انتقال دهنده ی الکترون و حفره انجام می شود.

شکل شماتیکی از طراحی سلول خورشیدی پروسکایتی مسطح.

اساس کار سلول های خورشیدی پروسکایتی به این صورت است که نور خورشید به ماده ی پروسکایت برخورد کرده و با توجه به گاف پروسکایت بکار برده شده، توسط آن جذب می شود. در اثر جذب نور در پروسکایت اکسایتون تولید میشود و تحت تاثیر میدان الکتریکی اکسايتون ها به الكترون و حفره تجزیه شده و از هم جدا می شوند. این حامل ها با توجه به موبیلیتی خود در پروسکایت حرکت کرده و وارد لایه های انتقال دهندهی الکترون و حفره می شوند و سپس از طریق این لایه ها به اتصالات فلزی منتقل و تولید جریان الکتریکی می کنند.

شکل الف) ساختار لایه های پروسکایت، ب) موقعیت ترازهای انرژی رسانش و ظرفیت و تفکیک الکترون و حفره.

لایه های انتقال دهنده الکترون و حفره را می توان از مواد معدنی یا آلی و یا پلیمرهای نام برده شده انتخاب کرد. فقط در انتخاب مادهی موردنظر می بایست به موبیلیتی مادهی انتخاب شده و انرژی تراز ظرفیت و رسانش لایه های انتقال دهنده حفره و الكترون توجه کرد. در واقع می بایست موبیلیتی لایه ها و موبیلیتی پروسکایت به هم نزدیک باشند تا پس از انتقال حامل ها به لایه های موردنظر، به واسطه تغییر شدید در موبیلیتی، دچار باز ترکیب نشوند. به طور کلی چهار نوع ساختار مختلف برای سلول های پروسکایتی می توانیم داشته باشیم.

 

شکل الف) ساختارهای مختلف سلول های خورشیدی پروسکایتی متداول.

 

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی سلول خورشیدی پروسکایتی در نرم افزار SETFOS انجام شده است.

هندسه مسئله:

پروسکایت درنظرگرفته شده پروسکایت هیبریدی آلی-معدنی CH3NH3PbI3 می باشد. درواقع این نیمه رسانای هیبریدی دارای دو خاصیت مهم و منحصربه فرد جاذب قوی نور و انتقال دهندگی مناسب حامل ها میباشد. در ساختمان شبکه آن همانند همه پروسکایت ها هر یون Pb²⁺ با 6 یون I^– در یک ساختار اکتاهدرال PbI₆ قرار دارند. این اکتاهدرال ها از گوشه ها به ساختار پروسکایت متصل اند.

شکل ساختار پروسکایت با ترکیب کلی MBX3.

 

 

 

نمونه نتایج شبیه سازی: