شکل۱-۴ مکانیزم تولید بار در سلولهای آلی.]۵[

۱-۴ انواع معماری سلول‌های فتوولتایی آلی

روش ساخت سلولهای آلی بسیار ساده است.اساس ساخت لایه نشانی در مقیاس نانو است.از جمله روش های مهم
Spray-Spin Coating-Printing-Sol gel است . می توان مراحل مختلف ساخت را با ابزارهای محاسباتی شبیه سازی کرد و شرایط مختلف ساخت را بررسی کرد . یکی از مشکلات اصلی سلولها مشکل طول عمر و چسبندگی مواد و لایه های مختلف است.اساس لایه نشانی میزان چسبندگی لایه ها به هم است.هر چه این چسبندگی بیشتر باشد عمر سلول و بازده آن افزایش می یابد . این چسبندگی به دما بسیار حساس است پس یافتن اثرات دما بر ساختار سلول بسیار مهم است. سلول‌های فتوولتایی آلی را از لحاظ معماری می‌توان به چهار گروه تقسیم نمود:

۱-۴-۱ معماری تک‌لایه

ساده‌ترین و پرکاربردترین قطعه‌ی نیمه‌رسانای آلی یک دیود تونلی فلز-عایق-فلز (MIM)است.در این نوع از سلول، الکترودهای فلزی دارای تابع کار متفاوت هستند. (شکل‏۱-۵).

شکل‏۱-۵ سلول آلی با معماری تک لایه.]۶[
این معماری ساده ترن نوع است. این سلول از آند و کاتد به همراه یک پلیمر مزدوج به عنوان محیط فعال ساخته شده.در اثر جذب فوتون توسط پلیمر ، اگزیتون تولید می شود .این اگزیتون هنگام رسیدن به آند و کاتد تجزیه شده و حاملهای بار جدا می شوند.این معماری بسیار ساده است ولی بازده بسیار پایینی دارد.چون طول پخش اگزیتون کم است ،قبل از رسیدن به آند و کاتد از بین می رود.

۱-۴-۲ معماری دولایه‌ی

در این نوع دو لایه از دونوع ماده آلی متفاوت در مجاورت یکدیگر قرار دارند. به همین دلیل این نوع معماری را دولایه‌ی می‌نامند. در۱-۶ شکل طرح شماتیکی از سلول ارائه شده است که در آن نحوه قرار گرفتن لایه‌ها و مولکول‌های مواد دهنده‌ی الکترون و پذیرنده‌ی الکترون نشان داده شده است.]۷[

شکل ۱-۶ طرح شماتیک سلول فتوولتایی تخت دولایه.]۷[
تفاوت این معماری با تک لایه در این است که بعد از تولید اگزیتون در ماده دهنده ،این اگزیتون به مرز جدایی زودتر رسیده و قبل از نابودی ،تجزیه می شود .ولی باز بازده کم است ،چون به اندازه کافی اگزیتون به مرز جدایی نمی رسد.

۱-۴-۳ معماری ناهمگون حجمی

در این نوع معماری دو ماده‌ی آلی در یکدیگر نفوذ می‌نمایند و در بخشی از ساختار به جای دو لایه‌ی تخت مجزا یک مخلوط از دو ماده داریم. به این ترتیب سطوح مشترک دو ماده افزایش یافته و در صورت تشکیل مناسب فازها در مخلوط، هر اگزیتون تشکیل شده در ماده‌ی جاذب نور امکان رسیدن به مرز مشترک دهنده/پذیرنده را پیش از نابودی خواهد داشت. شکل ۱-۷ طرحی از یک قطعه با این معماری و نمودار نوار انرژی آن را نشان می‌دهد.

شکل ۱-۷ طرح شماتیکی از سلول فتوولتایی ناهمگون حجمی]۸[.

۱-۴-۴ معماری چندپشته

رویکردی دیگری که به افزایش کارآیی سلول‌های فتوولتایی آلی منجر می‌گردد استفاده از معماری چندپشته (Tandem) است. از قطعاتی که با این معماری ساخته می‌شوند تحت عنوان سلول‌های فتوولتایی چنداتصالی نیز یاد می‌شود. در این ساختارهای چندلایه‌ای هر نیمه‌رسانا (کانی یا آلی یا ترکیبی از هردو) یک گاف نوار انرژی مشخص خواهد داشت که در اطراف یک طول موج خاص بیشترین میزان جذب را دارا است. نیمه‌رساناها باید طوری انتخاب شوند که تقریباً تمام طیف خورشید را جذب نمایند. ترتیب لایه‌ها به شکلی است که لایه‌ی دارای بزرگترین گاف نوار در بالا قرار می‌گیرد. نخستین اتصال تمام طیف را دریافت می کند. فوتون‌هایی که دارای انرژی بیشتر از گاف نوار اتصال اول هستند در لایه‌ی نخست جذب می‌شوند. فوتون‌های با انرژی کمتر از گاف نوار لایه‌ی نخست به لایه‌های پایین‌تر میروند تا در آنها جذب شوند.در شکل۱-۸ نمونه ای از این سلولها نشان داده شده.
شکل ۱-۸ ساختاری از معماری چند پشته برای سلولهای آلی.]۸[
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

۱-۵ کاربرد نانو مواد در سلولهای آلی

امروزه استفاده از مواد کربنی نانویی به عنوان مواد گیرنده در محیط فعال سلولهای آلی بسیار متداول شده.]۹[-]۱۰[-]۱۱[
مواد نانویی داری خواص جالبی هستند. یکی از مشکلات مهم سلولها طول عمر و چسبندگی لایه ها به هم است.تحقیقات امروزی نشان می دهد که با افزایش نانو لوله های کربنی عملکرد سلول از جنبه بازده و پایداری افزایش یافته . ولی کدام نوع از نانو لولهای کربنی برای یک سلول آلی مناسب است ؟ در ادامه برخی از خواص مهم نانو لوله های کربنی را ذکر می کنیم.
نانو لوله های کربن CNTs ساختار یک بعدی کربن هستند. یک نانو لوله تک دیواره کربن SWNT یک ورق کربن به ضخامت یک اتم است که به صورت یک استوانه یکپارچه که قطر آن از مرتبه نانو متر است، در آمده است. در نتیجه نانو لوله های کربن ساختار های بسیار ریزی ( در ابعاد نانو متر ) هستند که نسبت طول آنها به قطرشان به ۱۰۰۰۰ میرسد. چنین مولکولهای استوانه ای کربن دارای خواص بدیعی هستند که کاربرد وسیع آنها را در فن آوری نانو ، الکترونیک، اپتیک و دیگر زمینه های علم مواد ممکن می سازد. نانو لوله های کربن دارای استحکام فوق العاده بالا بوده و خواص الکترونیکی بی همتایی دارند و رسانای خوب گرما هستند.نانو لوله های کربن از ترکیبات با ساختار فلورن هستند که شامل باکی بال ها نیز می شود با این تفاوت که نانو لوله ها استوانه ای شکل هستند که حداقل یک سر آنها با نیم کره ای با ساختار باکی بال بسته شده است. در حالیکه باکی بال ها همان گونه که از نام آنها بر می آید، کروی شکل اند.نام نانو لوله های کربن از اندازه آنها گرفته شده است، چرا که قطر یک نانو لوله از مرتبه چند نانو متر است ( نزدیک به ۵۰۰۰۰ بار کوچکتر از تار موی انسان) در حالیکه طول آن می تواند به چند میلی متر برسد. به طور کلی نانو لوله های کربن به دو گروه تقسیم می شوند: نانو لوله های تک دیواره(SWNTs) و نانو لوله های چند دیواره(MWNTs).
ماهیت پیوند های شیمیایی یک نانو لوله با بهره گرفتن از شیمی کوانتومی و به طور مشخص با بهره گرفتن از هیبریداسیون اوربیتال ها توصیف می شود. پیوند های شیمیایی نانو لوله ها از پیوند های sp² تشکیل شده است که شبیه به ساختار پیوندی در گرافیت می باشد. نانو لوله های کربن می توانند با بهره گرفتن از نیرو های وان در والس به صورت رشته ( ریسمان ) در بیایند.نانو لوله های کربن تحت فشار زیاد می توانند برخی از پیوند های sp² را به پیوند های sp³ تبدیل کرده و امکان تشکیل نانو لوله هایی با طول نامحدود را فراهم سازند. با چرخش یک لایه گرافین می توان نانو لوله تولید کرد.بر اساس نوع چرخش انواع متنوعی از نانو لوله ها تولید می شود.در شکل۱-۹ نحوه تولید دیده می شود.

شکل ۱-۹ تولید نانو لوله کربنی از پیچش گرافین.
نانو لولها دارای خواص فیزیکی جالبی هستند از جمله:
استحکام:نانو لوله های کربن با توجه به مقاومت ( استحکام ) کششی و مدول الاستیک آنها یکی از مستحکم ترین و سخت ترین مواد شناخته شده هستند. این استحکام نتیجه ای از پیوندهای کووالانسی sp² که بین اتم های کربن تشکیل شده اند می باشد. استحکام کششی نانو لوله های چند دیواره ۶۳ GPa گزارش شده است. در حالیکه فولاد (carbon-steel) دارای استحکام کششی نزدیک به ۱٫۲ GPaاست . نانو لوله های کربن دارای مدول الاستیک بسیار بالا از مرتبه ۱ TPa هستند این در حالی است که نانو لوله های کربن دارای چگالی ۱٫۳-۱٫۴ g/cm3 هستند که برای یک جامد مقدار کمی است.
رسانش :به طور نظری نشان داده شده است که نانو لوله های کربنی که دارای خواص فلزی باشند می توانندجریان های الکتریکی حمل کنندکه چگالی آنها ۱۰۰۰ برابر بزرگتر از آنچه فلزات نقره و مس حمل می کنند، است.
گرمایی: انتظار می رود که همه انواع نانو لوله های کربن رساناهای بسیار خوب گرما باشند.پیش بینی شده است که نانو لوله های کربن می توانند تا ۶۰۰۰ W/mK گرما را در دمای اتاق عبور دهند در حالیکه مس میتواند تنها ۳۸۵ W/mK گرما را در شرایط مشابه عبور دهد.
ترابرد تک بعد:در نانو لوله های کربن به دلیل دارا بودن ابعاد نانو، ترابرد الکترون تنها از طریق اثرات کوانتومی امکان پذیر است و تنها در راستای محور تیوب انجام می شود.که این ویژگی مشابه همان چیزی است که در سیم های کوانتومی (quantum wires) رخ می دهد. به دلیل وجود همین ویژگی است که نانو لوله های کربن را می توان سیستم های تک بعدی در نظر گرفت.
ویژگی های الکترونیکی نانو لوله های کربنی:نانو لوله های کربنی دارای دو نوع اوربیتال هستند. اوربیتال های پیوند سیگما (σ) که در واقع پیوند اتمی است که اتمهای کربن را در ساختار لانه زنبوری دیواره نانولوله به هم می پیوندد واوربیتال پای (π) که عمود بر سه اوربیتال سیگما قرار دارد و تک الکترون موجود در آن تقریباٌ آزادانه حرکت می کند. این الکترون های پای موجب جاذبه واندروالس ضعیف بین نانو لوله های مختلف می شوند. اوربیتال های سیگما به دلیل فاصله زیادی که از سطح فرمی دارنددر واقع نمی توانند نقش مهمی در خواص ترابردی و جذب اپتیکی (در محدوده انرژی مرئی) نانولوله ها ایفا کنند .

دینامیک مولکولی

اهداف فصل:آشنایی با انواع مختلف ابزارهای محاسباتی از جمله MD -DFT است.
یکی از روش های متداول بررسی پدیدهای فیزیکی در مقیاس ماکروسکوپیک ، استفاده از معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزیی است (PDE) . از جمله این معادلات ، معادلات سیالات ، مقاومت مصالح ، الکترومغناطیس ، امواج ،پیزو الکتریک و … است . روش های زیادی برای حل PDE وجود دارد از جمله جداسازی متغیر ها، ماندهای وزنی،تفاضل محدودFDM))‍ ،المان محدود (FEM) و حجم محدود.در تمام این معادلات ، ثابتهای وجود دارد. این ثابتها را می توان از تجربه یا محاسبات بدست آورد. هدف این پایان نامه فقط روش های محاسباتی است .برای محاسبه این ثابتها ، باید به دنیای اتمها و مولکولها رفت و از مکانیک کلاسیک برای این دنیا استفاده کرد. این روش همان دینامیک مولکولی است (MD) . ولی برای استفاده از مکانیک کلاسیک، باید نیروهای بین اتمی مشخص باشد .برای محاسبه این نیروها باید به دنیای الکترونها رفت و معادلات کوانتوم را بکار برد.این شاخه از فیزیک تحت عنوان فیزیک سیستمهای چند ذره ای معروف است.برای نوشتن معادلات کوانتوم به ثابت های دیگری نیازمندیم.برای محاسبه این ثابتها به سراغ الکترودینامیک کوانتومی رفته (QED).این روش حالت خاصی از مدل استاندارد ذرات بنیادی است.مدل استاندارد دارای مشکلاتی بوده ،از جمله اتحاد نیروها و ۲۶ ثابت تجربی ، از این رو به سراغ مدل ریسمان رفته.در مدل ریسمان فقط طول ریسمان ثابت معادلات است و تمام خواص فیزیکی از این طول بدست می آید .به این روش متداول محاسبه خواص و پدیدهای فیزیکی روش شبیه سازی چند مقیاسی (Multi Scaling Simulation) گفته می شود.در این پایان نامه روش های MD,DFT بیان می شود.

۲- ۱شبیه سازی مولکولی

شبیه‌سازی مولکولی یک مفهوم کلی است که شامل مونت کارلو (MC) و دینامیک مولکولی (MD) است. علاقه‌مندی اولیه برای شبیه‌سازی مولکولی به دلیل ایجاد نتایج دقیق برای مسائل مکانیک آماری دارای برتری و رجحان نسبت به روش های حل تقریبی است. ویژگی که باعث تمایز شبیه‌سازی مولکولی از روش های محاسباتی دیگر می‌شود این است که مختصات مولکولی سیستم مطابق با محاسباتی از نیروها و انرژیهای درون مولکولی بیرون می‌آید. شبیه‌سازی مولکولی را می‌توان به عنوان مکانیک آماری محاسباتی توصیف کرد. این محاسبات به ما توانایی تعیین خواص ماکروسکوپی را دقیقاً با بهره گرفتن از یک مدل تئوری حاصل از یک برنامه کامپیوتری را می‌دهد.نتایجی که از شبیه‌سازی مولکولی بدست می‌آید به ماهیت مدلی که استفاده می‌شود بستگی دارد. مقایسه نتایج شبیه‌سازی با داده‌های آزمایشگاهی یک آزمایش تعیین‌‌کننده دقت مدل است. اختلاف بین این دو می‌تواند به معنی عدم پذیرش مدل توصیف‌کننده رفتار مولکولی باشد.
مزیتهای شبیه‌سازی مولکولی بسیار زیاد است. در بسیاری از موارد انجام آزمایشی در آزمایشگاهها با سختیهای زیاد در طراحی و مواد انتخابی همراه است. از طرفی شبیه‌سازی مولکولی انعطاف‌پذیری بالایی برای محدوده گسترده‌ای از شرایط دمایی و فشار و … دارد. پارامترهای مورد استفاده را می‌توان به آسانی در یک الگوریتم و برنامه مورد استفاده تغییر دارد در حالی که در آزمایشگاه این کار به آسانی صورت نمی‌گیرد]۱۲[
یکی دیگر از روش های شبیه سازی مولکولی ،روش مونت کارلو است. این روش یک استراتژی اتفاقی بر پایه احتمال است به منظور شبیه‌سازی سیالات، انتقال بین دو حالت یا پیکربندی مختلف با بهره گرفتن از