فهرست مطالب
فصل 1 معرفي سلولهاي خورشيدي

اهداف 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.

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

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 فتوولتايي
اساس 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.

3برخي ساختارهاي بدست آمده از مهندسي مولكولي

3برخي ساختارهاي بدست آمده از مهندسي مولكولي

1-1 منابع انرژي…………………………………………………………………. 1
1-2 سلول‌هاي فتوولتايي……………………………………………………… 2
1-3 انواع مواد در سلولهاي آلي ……………………………………………….3
1-4 انواع معماري سلول‌هاي فتوولتايي آلي………………………………. 5
1-4-1 معماري تك‌لايه…………………………………………………………. 5
1-4-2 معماري دولايه‌ي………………………………………………………. 6
1-4-3 معماري ناهمگون حجمي…………………………………………….. 6
1-4-4 معماري چندپشته……………………………………………………… 7
1-5 كاربرد نانو مواد در سلولهاي آلي……………………………………….. 8

فصل 2 ديناميك مولكولي

يكي از روشهاي متداول بررسي پديدهاي فيزيكي در مقياس ماكروسكوپيك ، استفاده از معادلات ديفرانسيل با مشتقات جزيي است (PDE) . از جمله اين معادلات ، معادلات سيالات ، مقاومت مصالح ، الكترومغناطيس ، امواج ،پيزو الكتريك و … است . روشهاي زيادي براي حل PDE وجود دارد از جمله جداسازي متغير ها، ماندهاي وزني،تفاضل محدودFDM))‍ ،المان محدود (FEM) و حجم محدود.در تمام اين معادلات ، ثابتهاي وجود دارد. اين ثابتها را مي توان از تجربه يا محاسبات بدست آورد. هدف اين پايان نامه فقط روشهاي محاسباتي است .براي محاسبه اين ثابتها ، بايد به دنياي اتمها و مولكولها رفت و از مكانيك كلاسيك براي اين دنيا استفاده كرد. اين روش همان ديناميك مولكولي است (MD) . ولي براي استفاده از مكانيك كلاسيك، بايد نيروهاي بين اتمي مشخص باشد .براي محاسبه اين نيروها بايد به دنياي الكترونها رفت و معادلات كوانتوم را بكار برد.اين شاخه از فيزيك تحت عنوان فيزيك سيستمهاي چند ذره اي معروف است.براي نوشتن معادلات كوانتوم به ثابت هاي ديگري نيازمنديم.براي محاسبه اين ثابتها به سراغ الكتروديناميك كوانتومي رفته (QED).اين روش حالت خاصي از مدل استاندارد ذرات بنيادي است.مدل استاندارد داراي مشكلاتي بوده ،از جمله اتحاد نيروها و 26 ثابت تجربي ، از اين رو به سراغ مدل ريسمان رفته.در مدل ريسمان فقط طول ريسمان ثابت معادلات است و تمام خواص فيزيكي از اين طول بدست مي آيد .به اين روش متداول محاسبه خواص و پديدهاي فيزيكي روش شبيه سازي چند مقياسي (Multi Scaling Simulation) گفته مي شود.در اين پايان نامه روشهاي MD,DFT بيان مي شود.
2- 1شبيه سازي مولكولي
شبيه‌سازي مولكولي يك مفهوم كلي است كه شامل مونت كارلو (MC) و ديناميك مولكولي (MD) است. علاقه‌مندي اوليه براي شبيه‌سازي مولكولي به دليل ايجاد نتايج دقيق براي مسائل مكانيك آماري داراي برتري و رجحان نسبت به روشهاي حل تقريبي است. ويژگي كه باعث تمايز شبيه‌سازي مولكولي از روشهاي محاسباتي ديگر مي‌شود اين است كه مختصات مولكولي سيستم مطابق با محاسباتی از نيروها و انرژيهاي درون مولكولي بيرون مي‌آيد. شبيه‌سازي مولكولي را مي‌توان به عنوان مكانيك آماري محاسباتي توصيف كرد. اين محاسبات به ما توانايي تعيين خواص ماكروسكوپي را دقيقاً با استفاده از يك مدل تئوري حاصل از يك برنامه كامپيوتري را مي‌دهد.نتايجي كه از شبيه‌سازي مولكولي بدست مي‌آيد به ماهيت مدلي كه استفاده مي‌شود بستگي دارد. مقايسه نتايج شبيه‌سازي با داده‌هاي آزمايشگاهي يك آزمايش تعيين‌‌كننده دقت مدل است. اختلاف بين اين دو مي‌تواند به معني عدم پذيرش مدل توصيف‌كننده رفتار مولكولي باشد.
مزيتهاي شبيه‌سازي مولكولي بسيار زياد است. در بسياري از موارد انجام آزمايشي در آزمايشگاهها با سختيهاي زياد در طراحي و مواد انتخابي همراه است. از طرفي شبيه‌سازي مولكولي انعطاف‌پذيري بالايي براي محدوده گسترده‌اي از شرايط دمايي و فشار و … دارد. پارامترهاي مورد استفاده را مي‌توان به آساني در يك الگوريتم و برنامه مورد استفاده تغيير دارد در حالي كه در آزمايشگاه اين كار به آساني صورت نمي‌گيرد]12[
یکی دیگر از روشهای شبیه سازی مولکولی ،روش مونت كارلو است. این روش يك استراتژي اتفاقي بر پايه احتمال است به منظور شبيه‌سازي سيالات، انتقال بين دو حالت يا پيكربندي مختلف با استفاده از
الف) ايجاد يك پيكربندي آزمايشي به صورت تصادفي
ب) ارزيابي در مورد پذيرش يك حالت با محاسبه تغييرات انرژي و خصوصيات ديگر پيكربندي
ج) مقايسه بين حالت مورد پذيرش با حالت پذيرفته شده و رد شده قبلي صورت مي‌گيرد. آنچه داراي اهميت است اين است كه همه حالتها خصوصيات پيكربندي را به طور دقيق ايجاد نمي‌كند و براي تعيين خصوصيات دقيق سيستم در زمان محدود براي شبيه‌سازي نمونه‌گيري از حالتهايي كه داراي توضيح متمايز و دقيق مي‌باشند اهميت دارد. اين كار با استفاده از زنجير ماركوف صورت مي‌گيرد. يك زنجيره ماركوف، يك توالي از آزمايشاتي است كه نتيجه حاصل از آزمايشات موفق بدست آمده از شبيه‌سازي صورت گرفته بر روي مولكولها موردنظر است. يك حالت جديد تنها در صورتي در يك زنجيره ماركوف پذيرفته مي‌شود كه از حالت قبلي مطلوبتر باشد. به عبارتي حالت جديد بايد داراي انرژي كمتري باشد تا پذيرفته شود.
در فرآيند مونت كارلو، يك پيكربندي جديد با استفاده از جابجايي، تعويض، افزودن يا كم شدن يك مولكول ايجاد مي‌شود. احتمالات در تعيين ماهيت و اندازه حركت پيچيده است. ماهيت دقيق احتمال وابسته به مجموعه انتخاب شده است اما در حالت كلي ارزيابي انرژي پيكربندي جديد و مقايسه آن با حالت قبلي و موجود مورد ارزيابي قرار مي‌گيرد. در صورتي كه حالت جديد رد شود، حالت قبلي به عنوان حالت جديد محسوب مي‌شود ]13[.

جذب پليمرهاي مختلف بر روي نانو لوله

جذب پليمرهاي مختلف بر روي نانو لوله

2- 1شبيه سازي مولكولي…………………………………………………….. 11
2-2 روش ديناميك مولكولي……………………………………………………. 13
2-3 اصول ديناميك مولكولي……………………………………………………. 14
2-4 شعاع قطع(Cut Off)ا……………………………………………………… 16
2-5 روش مجموع ايوالد (Ewald summation method) ا……………………18
2-6 اندازه‌گيري كميتها در MD ا…………………………………………………18
2-7 مسيرها…………………………………………………………………….. 19
2-8 نيروها ………………………………………………………………………..20
2-9 خواص استاتيك…………………………………………………………….. 23
2-10 خواص ديناميكي………………………………………………………….. 24
2-11 کاربردها…………………………………………………………………….. 26
2-12 محدوديت‌هاي MD ا………………………………………………………26
2-13 كدهاي MDا……………………………………………………………….. 26

فصل 3 شبیه سازی كوانتومي

همانطور كه در فصل قبل اشاره شده از ديناميك مولكولي براي بررسي پدیده هاي زيادي از جمله ساختار مواد،پرسازي،هسته سازي،جذب،ترموديناميك،خواص مكانيكي،خواص آماري،نفوذ،پايداري،تركيب سازي،فيزيك سطح،سيالات،خواص انتقال حرارت،گسستگي، واكنش شيميايي،انتشار امواج مكانيكي،انحلال،چسبندگي،لايه نشاني و … مي توان استفاده كرد.ولي يك مشكل اساسي وجود دارد ،آن مشكل يافتن نيروي مناسب براي مواد مختلف است. يكي از روشهاي يافتن نيرو، محاسبات كوانتومي است.با محاسبات كوانتومي علاوه بر يافتن نيرو ، مي توان به جای ديناميك مولكولي نيز استفاده كرد ولي براي سيستمهاي بسيار كوچك مانند تعداد 100 اتم.علاوه بر اين براي بررسي پديد هاي مانند خواص اپتيكي،الكترونيكي وشيميايي نيزمی توان از محاسبات کوانتومی استفاده كرد .در ادامه انواع اين روشها معرفي مي شوند.
3-1 آشنايي با محاسبات كوانتومي
براي درك پديده‌هاي دنياهاي ميكروسكوپيك مانند مولكول‌ها،‌ اتمها،‌ هسته‌ها، ‌ذرات نياز به حل دقيق معادله شرودينگر دارد. چون مكانيك كلاسيك در اين حوزه از فيزيك ناكارآمد است،‌ بحث سیستمهای چند ذره ای براي حل معادله شرودينگر مطرح مي شود. اساس اين روشها، ‌استفاده از تقريب براي حل معادله شرودينگر است يا به عبارت ديگرحل معادله شرودينگر چند ذره ای از طريق حل معادله شرودينگر براي تك ذره. روشهاي حل به صورتهاي زير خلاصه مي شود :

3-1 آشنايي با محاسبات كوانتومي………………………………………………. 28
3-2 روش هارتري………………………………………………………………….. 28
3-3 روش هارتري-فوك…………………………………………………………….. 30
3- 4 روشهاي اختلال………………………………………………………………… 31
3-5 روشهاي تابعی چگالي(DFT) ا………………………………………………..31

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل 4 شبيه سازيها.

با توجه به گراني مواد پليمري سلولهاي آلي ، داده هاي تجربي براي اين مواد محدود است. هدف در اين مرحله از پايان نامه محاسبه برخي خواص مهم مكانيكي و ساختاري اين پليمرها است.از جمله خواص مهم :انرژيهاي پتانسيل،جنبشي و كل بر حسب دما،نمودار چگالي بر حسب دما،تابع توزيع شعايي(RDF) وساختار بهينه شده پليمر یا مابقی مواد آلی سلولهای خورشیدی. پليمر هاي مد نظر عبارتتند از:P3HT-MEH PPV-MDMO PPV –PEDOT.PSS.نمونه اي از اين محاسبات براي پليمر PANI گزارش شده.]28[در شكل4-1 نمودار انرژي را بر حسب زمان مشاهده ميكنيم.همانطور كه ديده ميشود پس از رسيدن به حالت تعادل انرژي كل ثابت مانده.شكل نشان مي دهد كه انرژي داخلي در دماي 350K در حدود -4600Kcal/m است.پس در هر دمايي مي توان اين انرژي را محاسبه كرد.اين در حالي است كه محاسبه انرژي دروني از مكانيك آماري بسيار سخت است.
1- محاسبه خواص ترمودینامیکی و ساختاری پليمرها ومولكولهاي سلولهاي آلي خورشيدي…………………………………………………………………………. 34
2- محاسبه خواص ترموینامیکی و ساختاری نانو لولهاي كربني و سایر نانو مواد ………………………………………………………………………………………37
3- محاسبه چسبش پليمرها به دور نانو لولهاي كربني و سایر نانو مواد….. 37
4-شبيه سازي جذب پليمرها و نانو مواد به روي فلزات………………………… 39



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان