user8211

2352675285750

دانشگاه صنعتی امیرکبیر
(پلی تکنیک تهران)
دانشکده فیزیک و مهندسی هسته ای پیشنهاد رساله دکتری
شبیه سازی دینامیک مولکولی چسبندگی مواد آلی به نانو ساختارها در سلولهای خورشیدی
دانشجو:
اسماعیل زمین پیما
264795024301450088111904
استاد راهنما:
دکتر کاووس میرعباس زاده
اردیبهشت
1390
چکیده
با توجه به مشکلات انرژیهای فسیلی از جمله آلودگی،گرمایش زمین و تجدید ناپذیر بودن این منابع، یافتن منابع جدید انرژی بسیار مهم است.ازجمله این منابع انرژی خورشیدی است، اما سلولهای خورشیدی بر پایه سیلیکون در مقایسه با سوختهای فسیلی قابل رقابت نیست. در این حوزه فناوری جدیدی برای ساخت سلولهای خورشیدی نسل جدید که شامل استفاده از مواد آلی در حال شکل گیری است که هزینه های تولید را بسیار کاهش می دهد.این فناوری دارای مشکلاتی است از جمله:
دست یابی به مواد جدید با گاف انرژی زیرev2
قیمت بالای مواد آلی بکار رفته
پایین بودن طول عمر.
با بوجود آمدن نانو تکنولوژی امید بسیار زیادی برای حل این مشکلات بوجود آمده است.هدف اصلی این پایان نامه استفاده از شبیه سازی برای محاسبه چسبندگی در سلولهای خورشیدی آلی در معماری نا همگون حجمی می باشد که در آن از نانو ساختارها شامل نانو لوله-نانو سیم و فلورئن به همراه پلیمرها یا مولکولهای مزدوج به عنوان ماده فعال استفاده می شود. افزایش چسبندگی ماده آلی روی نانو ساختارها سهم عمده ای در افزایش طول عمرسلول و بازده آن دارد.برای محاسبه چسبندگی دو ابزار مهم محاسباتی وجود دارد،دینامک مولکولی(MD)و نظریه تابعی چگالی(DFT).
در این پایان نامه با کمک این ابزارها چسبندگی مواد آلی جدید با گاف کم و پلیمرهای متداول در سلول خورشیدی شامل P3HT,MEH-PPV, PFB,MDMO-PPV را به دور نانو مواد مختلف شبیه سازی شده و کمیتهای مختلفی از جمله انرژی چسبش،سطح چسبش،اثرات دما بر چسبش،توابع توزیع شعاعی(RDF) محاسبه می شود.
2800350163830000
280035077851000265747561658500
فهرست
TOC \o "1-3" \h \z \u فصل 1 معرفی سلولهای خورشیدی PAGEREF _Toc290128412 \h 11-1 منابع انرژی PAGEREF _Toc290128413 \h 11-2 سلول‌های فتوولتایی PAGEREF _Toc290128414 \h 21-3 انواع مواد در سلولهای آلی PAGEREF _Toc290128415 \h 31-4 انواع معماری سلول‌های فتوولتایی آلی PAGEREF _Toc290128416 \h 51-4-1 معماری تک‌لایه PAGEREF _Toc290128417 \h 51-4-2 معماری دولایه‌ی PAGEREF _Toc290128418 \h 61-4-3 معماری ناهمگون حجمی PAGEREF _Toc290128419 \h 61-4-4 معماری چندپشته PAGEREF _Toc290128420 \h 71-5 کاربرد نانو مواد در سلولهای آلی PAGEREF _Toc290128421 \h 8فصل 2 دینامیک مولکولی PAGEREF _Toc290128422 \h 112- 1شبیه سازی مولکولی PAGEREF _Toc290128423 \h 112-2 روش دینامیک مولکولی PAGEREF _Toc290128424 \h 132-3 اصول دینامیک مولکولی PAGEREF _Toc290128425 \h 142-4 شعاع قطع(Cut Off) PAGEREF _Toc290128426 \h 162-5 روش مجموع ایوالد (Ewald summation method) PAGEREF _Toc290128427 \h 182-6 اندازه‌گیری کمیتها در MD PAGEREF _Toc290128428 \h 182-7 مسیرها PAGEREF _Toc290128429 \h 192705100508000002-8 نیروها PAGEREF _Toc290128430 \h 192-9 خواص استاتیک PAGEREF _Toc290128431 \h 232-10 خواص دینامیکی PAGEREF _Toc290128432 \h 242-11 کاربردها PAGEREF _Toc290128433 \h 262-12 محدودیت‌های MD PAGEREF _Toc290128434 \h 262-13 کدهای MD PAGEREF _Toc290128435 \h 26فصل 3 شبیه سازی کوانتومی PAGEREF _Toc290128436 \h 283-1 آشنایی با محاسبات کوانتومی PAGEREF _Toc290128437 \h 283-2 روش هارتری PAGEREF _Toc290128438 \h 283-3 روش هارتری-فوک PAGEREF _Toc290128439 \h 303- 4 روشهای اختلال PAGEREF _Toc290128440 \h 313-5 روشهای تابعی چگالی(DFT) PAGEREF _Toc290128441 \h 31فصل 4 شبیه سازیها PAGEREF _Toc290128442 \h 341- محاسبه خواص ترمودینامیکی و ساختاری پلیمرها ومولکولهای سلولهای آلی خورشیدی PAGEREF _Toc290128443 \h 342- محاسبه خواص ترموینامیکی و ساختاری نانو لولهای کربنی و سایر نانو مواد PAGEREF _Toc290128444 \h 363- محاسبه چسبش پلیمرها به دور نانو لولهای کربنی و سایر نانو مواد PAGEREF _Toc290128445 \h 374-شبیه سازی جذب پلیمرها و نانو مواد به روی فلزات. PAGEREF _Toc290128446 \h 39فصل 5 نوآوریها PAGEREF _Toc290128447 \h 40 منابع
حروف اختصار
274320034988500268605063436500
سلولهای خورشیدیاهداف فصل:اهمیت انرژی خورشیدی-انواع سلولهای خورشیدی-مواد آلی سلولهای خورشیدی-انواع سلولهای آلی-مشکلات سلولهای آلی-کاربرد نانو مواد در سلولهای آلی
1-1 منابع انرژیامروزه یکی از مهمترین مشکلات بشر، مشکل انرژی است.مهمترین منابع انرژی امروزی،انرژی فسیلی از جمله نفت و گاز است. این منابع دارای مشکلاتی است از جمله تجدید ناپذیری ،آلودگی و گرمایش زمین . نمودار رشد منابع اولیه‌ی انرژی کل جهان(TPES) از سال 1850 تا 2100 میلادی را در شکل 1-1 نشان داده شده.
2324100-4445
شکل1-1رشد TPESجهان از سال 1850 تا 2100.]1[
مقدار TPES در سال 2004 میلادی در حدود 470 اتاژول بوده که معادل 11.2 میلیارد تن نفت خام یا نزدیک به 80 میلیارد بشکه نفت خام می‌باشد. پیش‌بینی رشد TPES بسته به میزان رشد جمعیت و افزایش سطح رفاه در کل جهان بین 1.5 تا 2 درصد در سال است.قدرت آینده در دست کشورهای است که به منابع جدید انرژی دسترسی داشته باشند.انرژی الکتریکی یکی از مهم ترین منابع انرژی است.برای تولید این انرژی روشهای مختلفی وجود دارد.امروزه یکی از ارزان ترین روشها استفاده از سلولهای خورشیدی برای تولید این انرژی است. در جدول 1-1 سهم هر یک روشهای تولید برق در سال 2010 در آمریکا نشان داده شده.
زغال سنگ 45%
گاز 24%
هسته ای 19%
آبی 6%
بادی 2%
خورشیدی 0.03%
جدول STYLEREF 1 \s ‏11 سهم انواع منابع تولید برق در آمریکا در سال 2010].2[
زغال سنگ بیشترین سهم را دارا است در حدود 45% وانرژی خورشید حدود 0.03% را به خود اختصاص داده.این در حالی است که کل انرژی خورشیدی که در هر سال به سطح کره‌ی زمین می‌رسد در حدود 3600000 اتاژول است که 7700 برابر مصرف سالانه‌ی فعلی جهان است. در واقع بزرگترین منبع انرژی در دسترس در کره‌ زمین انرژی خورشیدی است که از انرژی زمین‌گرمایی نیز بسیار بیشتر است زیرا مرتباً تولید می‌گردد.هدف تحقیقات امروزی افزایش بهره برداری از این منبع انرژی است.
1-2 سلول‌های فتوولتاییاساس تبدیل انرژی خورشیدی به برق،اثر فتوولتاژ است که در آن فوتون اختلاف پتانسیل بوجود می آورد. این سلولها دارای سه فناوری هستند . اولی بر اساس مواد کانی از جمله سیلسیم و ژرمانیوم است. این فناوری اکنون تجاری شده و در صنایع مختلف از جمله هواوفضا،خودروسازی ، مسکن و ... کاربرد زیادی دارد. این فناوری بازده بالایی برای تبدیل انرژی خورشیدی دارد، حتی به بالای 50% نیز رسیده ولی مشکل اصلی آن گرانی مواد اولیه و مراحل ساخت است. در سلولهای کانی در اثر جذب فوتون ، الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش رفته، جای خالی الکترون در نوار ظرفیت ، همان حفره یا حامل بار مثبت است. سپس حاملهای بار به طرف آند و کاتد سلول حرکت می کنند. فناوری دوم بر اساس مواد آلی است . این فناوری اکنون در مرحله تحقیقاتی قرار دارد . از جمله مشکلات‌ آن گرانی مواد اولیه،بازده کم ، طول عمر سلول و مواد مناسب با گاف انرژی کم است. مزیت این فناوری راحتی و ارزانی مراحل ساخت است.
مکانیزم تولید جریان در مواد آلی متفاوت از مواد کانی است.در مواد آلی بر اثر جذب فوتون ، یک زوج مقید الکترون-حفره تولید می شود،نام این زوج مقید اگزیتون است .این اگزیتون هنگام رسیدن به یک ماده آلی دیگر تجزیه شده و به الکترون و حفره نامقید تبدیل می شود. سپس این حاملها به سوی آند و کاتد حرکت می کنند.مواد آلی نیمه‌رسانا که به عنوان ماده‌ی فعال در سلول‌های فتوولتایی آلی به کار می‌روند، دارای گاف نوار در حدود 2 الکترون‌ولت هستند. در حالی که این عدد برای نیمه‌رساناهایی مانند سیلیکون در حدود 1.2 الکترون‌ولت است. به این ترتیب مواد آلی قادر به جذب بخش قابل توجهی از طول موج‌های طیف تابشی خورشید نخواهند بود.یافتن مواد جدید با گاف انرژی کم ،یکی از مشکلات این فناوری است.با استفاده از مهندسی مولکولی و ابزارهای آن آز جمله MD,DFT می توان تا حدود زیادی مشکلات این حوزه را حل کرد.فناوری سوم ترکیبی از دو فناوری قبل است.ولی این فناوری نیز در مرحله تحقیقاتی قرار دارد.در این فناوری هم از مواد آلی و هم از کانی استفاده می شود.
1-3 انواع مواد در سلولهای آلیمواد آلی متنوعی در این سلولها استفاده میشود از جمله انواع پلیمرها-مولکولهای کوچک-مولکولهای بزرگ و کریستالهای مختلف . در جدول1-2 انواع مواد فهرست شده است.
الکترودها Ag, Al , ITO
مواد دهنده P3HT , MEH-PPV , PFB ,MDMO-PPV , DTTH
مواد گیرنده C60 , F8TB , PCBM , CN-MEH-PPV,QD,SWNT,MWNT,NW
مواد رسانش حفره MMO3 , V2O5 ,WO3 NIO ,PEDOT.PSS , CU2O
مواد رسانش الکترون Ca,Tiox,Lif,Zno,Cds,Sno2,Cs2co3,Tio2,In2s3
جدول1-2مواد سلولهای آلی خورشیدی.
در شکل1-2 ساختار برخی از این مواد نشان داده شده. علاوره بر این مواد، مواد دیگری از مهندسی مولکولی برای سلول های خورشیدی پیشنهاد شده.برخی از این مواد در شکل1-3 نشان داده شده .

شکل1-2 ساختار برخی از موادسلولهای خورشیدی آلی .]3[

شکل1-3برخی ساختارهای بدست آمده