user8211

2352675285750

دانشگاه صنعتي اميركبير
(پلي تكنيك تهران)
دانشكده فيزيك و مهندسي هسته اي پيشنهاد رسالة دكتري
شبيه سازي دینامیک مولکولی چسبندگی مواد آلی به نانو ساختارها در سلولهای خورشیدی
دانشجو:
اسماعيل زمين پيما
264795024301450088111904
استاد راهنما:
دكتر كاووس ميرعباس زاده
اردیبهشت
1390
چكيده
با توجه به مشكلات انرژيهاي فسيلي از جمله آلودگي،گرمايش زمين و تجديد ناپذير بودن اين منابع، يافتن منابع جديد انرژي بسيار مهم است.ازجمله اين منابع انرژي خورشيدي است، اما سلولهای خورشیدی بر پایه سیلیکون در مقایسه با سوختهای فسیلی قابل رقابت نیست. در این حوزه فناوري جديدي براي ساخت سلولهاي خورشيدي نسل جدید که شامل استفاده از مواد آلي در حال شكل گيري است که هزینه های تولید را بسیار کاهش می دهد.اين فناوري داراي مشكلاتي 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 تكنولوژي اميد بسيار زيادي براي حل اين مشكلات بوجود آمده است.هدف اصلي اين پايان 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 معرفي سلولهاي خورشيدي PAGEREF _Toc290128412 h 11-1 منابع انرژي PAGEREF _Toc290128413 h 11-2 سلول‌هاي فتوولتايي PAGEREF _Toc290128414 h 21-3 انواع مواد در سلولهاي آلي PAGEREF _Toc290128415 h 31-4 انواع معماري سلول‌هاي فتوولتايي آلي PAGEREF _Toc290128416 h 51-4-1 معماري تك‌لايه PAGEREF _Toc290128417 h 51-4-2 معماري دولايه‌ي PAGEREF _Toc290128418 h 61-4-3 معماري ناهمگون حجمي PAGEREF _Toc290128419 h 61-4-4 معماري چندپشته PAGEREF _Toc290128420 h 71-5 كاربرد نانو مواد در سلولهاي آلي PAGEREF _Toc290128421 h 8فصل 2 ديناميك مولكولي PAGEREF _Toc290128422 h 112- 1شبيه سازي مولكولي PAGEREF _Toc290128423 h 112-2 روش ديناميك مولكولي PAGEREF _Toc290128424 h 132-3 اصول ديناميك مولكولي PAGEREF _Toc290128425 h 142-4 شعاع قطع(Cut Off) PAGEREF _Toc290128426 h 162-5 روش مجموع ايوالد (Ewald summation method) PAGEREF _Toc290128427 h 182-6 اندازه‌گيري كميتها در MD PAGEREF _Toc290128428 h 182-7 مسيرها PAGEREF _Toc290128429 h 192705100508000002-8 نيروها PAGEREF _Toc290128430 h 192-9 خواص استاتيك PAGEREF _Toc290128431 h 232-10 خواص ديناميكي PAGEREF _Toc290128432 h 242-11 کاربردها PAGEREF _Toc290128433 h 262-12 محدوديت‌هاي MD PAGEREF _Toc290128434 h 262-13 كدهاي MD PAGEREF _Toc290128435 h 26فصل 3 شبیه سازی كوانتومي PAGEREF _Toc290128436 h 283-1 آشنايي با محاسبات كوانتومي PAGEREF _Toc290128437 h 283-2 روش هارتري PAGEREF _Toc290128438 h 283-3 روش هارتري-فوك PAGEREF _Toc290128439 h 303- 4 روشهاي اختلال PAGEREF _Toc290128440 h 313-5 روشهاي تابعی چگالي(DFT) PAGEREF _Toc290128441 h 31فصل 4 شبيه سازيها PAGEREF _Toc290128442 h 341- محاسبه خواص ترمودینامیکی و ساختاری پليمرها ومولكولهاي سلولهاي آلي خورشيدي PAGEREF _Toc290128443 h 342- محاسبه خواص ترموینامیکی و ساختاری نانو لولهاي كربني و سایر نانو مواد PAGEREF _Toc290128444 h 363- محاسبه چسبش پليمرها به دور نانو لولهاي كربني و سایر نانو مواد PAGEREF _Toc290128445 h 374-شبيه سازي جذب پليمرها و نانو مواد به روي فلزات. PAGEREF _Toc290128446 h 39فصل 5 نوآوريها PAGEREF _Toc290128447 h 40 منابع
حروف اختصار
274320034988500268605063436500
سلولهاي خورشيدياهداف فصل:اهميت انرژي خورشيدي-انواع سلولهاي خورشيدي-مواد آلي سلولهای خورشيدي-انواع سلولهاي آلي-مشكلات سلولهاي آلي-كاربرد نانو مواد در سلولهاي آلي
1-1 منابع انرژيامروزه يكي از مهمترين مشكلات بشر، مشكل انرژي است.مهمترين منابع انرژي امروزي،انرژي فسيلي از جمله نفت و گاز است. اين منابع داراي مشكلاتي است از جمله تجديد ناپذيري ،آلودگي و گرمايش زمين . نمودار رشد منابع اوليه‌ي انرژي كل جهان(TPES) از سال 1850 تا 2100 ميلادي را در شكل 1-1 نشان داده شده.
2324100-4445
شكل1-1رشد TPESجهان از سال 1850 تا 2100.]1[
مقدار TPES در سال 2004 ميلادي در حدود 470 اتاژول بوده كه معادل 11.2 ميليارد تن نفت خام يا نزديك به 80 ميليارد بشكه نفت خام مي‌باشد. پيش‌بيني رشد TPES بسته به ميزان رشد جمعيت و افزايش سطح رفاه در كل جهان بين 1.5 تا 2 درصد در سال است.قدرت آينده در دست كشورهاي است كه به منابع جديد انرژي دسترسي 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 يك 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 بيشترين سهم را دارا است در حدود 45% وانرژي خورشيد حدود 0.03% را به خود اختصاص داده.این در حالی است که كل انرژي خورشيدي كه در هر سال به سطح كره‌ي زمين مي‌رسد در حدود 3600000 اتاژول است كه 7700 برابر مصرف سالانه‌ي فعلي جهان است. در واقع بزرگترين منبع انرژي در دسترس در كره‌ زمين انرژي خورشيدي است كه از انرژي زمين‌گرمايي نيز بسيار بيشتر است زيرا مرتباً توليد مي‌گردد.هدف تحقیقات امروزی افزایش بهره برداری از این منبع انرژی است.
1-2 سلول‌هاي فتوولتايياساس تبديل انرژي خورشيدي به برق،اثر فتوولتاژ است كه در آن فوتون اختلاف پتانسيل بوجود مي آورد. اين سلولها داراي سه فناوري هستند . اولي بر اساس مواد كاني از جمله سيلسيم و ژرمانيوم است. اين فناوري اكنون تجاري شده و در صنايع مختلف از جمله هواوفضا،خودروسازي ، مسكن و … كاربرد زيادي دارد. اين فناوري بازده بالايي براي تبديل انرژي خورشيدي دارد، حتي به بالاي 50% نيز رسيده ولي مشكل اصلي آن گراني مواد اوليه 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 كاتد سلول حرکت می کنند. فناوري دوم بر اساس مواد آلي است . اين فناوري اكنون در مرحله تحقيقاتي قرار دارد . از جمله مشكلات‌ آن گراني مواد اوليه،بازده كم ، طول عمر سلول و مواد مناسب با گاف انرژی کم است. مزيت اين فناوري راحتي و ارزاني 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 آلي نيمه‌رسانا كه به عنوان ماده‌ي فعال در سلول‌هاي فتوولتايي آلي به كار مي‌روند، داراي گاف نوار در حدود 2 الكترون‌ولت هستند. در حالي كه اين عدد براي نيمه‌رساناهايي مانند سيليكون در حدود 1.2 الكترون‌ولت است. به اين ترتيب مواد آلي قادر به جذب بخش قابل توجهي از طول موج‌هاي طيف تابشي خورشيد نخواهند بود.يافتن مواد جديد با گاف انرژی کم ،يكي از مشكلات اين فناوري 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 سلولهاي آليمواد آلي متنوعي در اين سلولها استفاده ميشود از جمله انواع پليمرها-مولكولهاي كوچك-مولكولهاي بزرگ و كريستالهاي مختلف . در جدول1-2 انواع مواد فهرست شده است.
الكترودها Ag, Al , ITO
مواد دهنده P3HT , MEH-PPV , PFB ,MDMO-PPV , DTTH
مواد گيرنده C60 , F8TB , PCBM , CN-MEH-PPV,QD,SWNT,MWNT,NW
مواد رسانش حفره MMO3 , V2O5 ,WO3 NIO ,PEDOT.PSS , CU2O
مواد رسانش الكترون Ca,Tiox,Lif,Zno,Cds,Sno2,Cs2co3,Tio2,In2s3
جدول1-2مواد سلولهاي آلي خورشيدي.
در شكل1-2 ساختار برخي از اين مواد نشان داده شده. علاوره بر اين مواد، مواد ديگري از مهندسي مولكولي براي سلول های خورشيدي پيشنهاد شده.برخي از اين مواد در شکل1-3 نشان داده شده .

شكل1-2 ساختار برخي از موادسلولهاي خورشيدي آلی .]3[

شكل1-3برخي ساختارهاي بدست آمده

متن کامل در سایت homatez.com

About: admin


دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *