انتخاب صفحه

فهرست مطالب
فصل 1 معرفی سلولهای خورشیدی

اهداف 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.

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

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 فتوولتایی
اساس 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.

3برخی ساختارهای بدست آمده از مهندسی مولکولی

3برخی ساختارهای بدست آمده از مهندسی مولکولی

1-1 منابع انرژی…………………………………………………………………. 1
1-2 سلول‌های فتوولتایی……………………………………………………… 2
1-3 انواع مواد در سلولهای آلی ……………………………………………….3
1-4 انواع معماری سلول‌های فتوولتایی آلی………………………………. 5
1-4-1 معماری تک‌لایه…………………………………………………………. 5
1-4-2 معماری دولایه‌ی………………………………………………………. 6
1-4-3 معماری ناهمگون حجمی…………………………………………….. 6
1-4-4 معماری چندپشته……………………………………………………… 7
1-5 کاربرد نانو مواد در سلولهای آلی……………………………………….. 8

فصل 2 دینامیک مولکولی

یکی از روشهای 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 . روشهای 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 روشهای 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 26 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 روشهای MD,DFT بیان می شود.
2- 1شبیه 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 روشهای حل تقریبی است. ویژگی که باعث تمایز شبیه‌سازی مولکولی از روشهای 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 استفاده 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]12[
یکی دیگر از روشهای 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 استفاده از
الف) ایجاد یک پیکربندی آزمایشی به صورت تصادفی
ب) ارزیابی در مورد پذیرش یک حالت با محاسبه تغییرات انرژی و خصوصیات دیگر پیکربندی
ج) مقایسه بین حالت مورد پذیرش با حالت پذیرفته شده و رد شده قبلی صورت می‌گیرد. آنچه دارای اهمیت است این است که همه حالتها خصوصیات پیکربندی را به طور دقیق ایجاد نمی‌کند و برای تعیین خصوصیات دقیق سیستم در زمان محدود برای شبیه‌سازی نمونه‌گیری از حالتهایی که دارای توضیح متمایز و دقیق می‌باشند اهمیت دارد. این کار با استفاده از زنجیر مارکوف صورت می‌گیرد. یک زنجیره مارکوف، یک توالی از آزمایشاتی است که نتیجه حاصل از آزمایشات موفق بدست آمده از شبیه‌سازی صورت گرفته بر روی مولکولها موردنظر است. یک حالت جدید تنها در صورتی در یک زنجیره مارکوف پذیرفته می‌شود که از حالت قبلی مطلوبتر باشد. به عبارتی حالت جدید باید دارای انرژی کمتری باشد تا پذیرفته شود.
در فرآیند مونت کارلو، یک پیکربندی جدید با استفاده از جابجایی، تعویض، افزودن یا کم شدن یک مولکول ایجاد می‌شود. احتمالات در تعیین ماهیت و اندازه حرکت پیچیده است. ماهیت دقیق احتمال وابسته به مجموعه انتخاب شده است اما در حالت کلی ارزیابی انرژی پیکربندی جدید و مقایسه آن با حالت قبلی و موجود مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. در صورتی که حالت جدید رد شود، حالت قبلی به عنوان حالت جدید محسوب می‌شود ]13[.

جذب پلیمرهای مختلف بر روی نانو لوله

جذب پلیمرهای مختلف بر روی نانو لوله

2- 1شبیه سازی مولکولی…………………………………………………….. 11
2-2 روش دینامیک مولکولی……………………………………………………. 13
2-3 اصول دینامیک مولکولی……………………………………………………. 14
2-4 شعاع قطع(Cut Off)ا……………………………………………………… 16
2-5 روش مجموع ایوالد (Ewald summation method) ا……………………18
2-6 اندازه‌گیری کمیتها در MD ا…………………………………………………18
2-7 مسیرها…………………………………………………………………….. 19
2-8 نیروها ………………………………………………………………………..20
2-9 خواص استاتیک…………………………………………………………….. 23
2-10 خواص دینامیکی………………………………………………………….. 24
2-11 کاربردها…………………………………………………………………….. 26
2-12 محدودیت‌های MD ا………………………………………………………26
2-13 کدهای MDا……………………………………………………………….. 26

فصل 3 شبیه سازی کوانتومی

همانطور که در فصل قبل اشاره شده از دینامیک مولکولی برای بررسی پدیده های زیادی از جمله ساختار مواد،پرسازی،هسته سازی،جذب،ترمودینامیک،خواص مکانیکی،خواص آماری،نفوذ،پایداری،ترکیب سازی،فیزیک سطح،سیالات،خواص انتقال حرارت،گسستگی، واکنش شیمیایی،انتشار امواج مکانیکی،انحلال،چسبندگی،لایه نشانی و … می توان استفاده کرد.ولی یک مشکل اساسی وجود دارد ،آن مشکل یافتن نیروی مناسب برای مواد مختلف است. یکی از روشهای یافتن نیرو، محاسبات کوانتومی است.با محاسبات کوانتومی علاوه بر یافتن نیرو ، می توان به جای دینامیک مولکولی نیز استفاده کرد ولی برای سیستمهای بسیار کوچک مانند تعداد 100 اتم.علاوه بر این برای بررسی پدید های مانند خواص اپتیکی،الکترونیکی وشیمیایی نیزمی توان از محاسبات کوانتومی استفاده کرد .در ادامه انواع این روشها معرفی می شوند.
3-1 آشنایی با محاسبات کوانتومی
برای درک پدیده‌های دنیاهای میکروسکوپیک مانند مولکول‌ها،‌ اتمها،‌ هسته‌ها، ‌ذرات نیاز به حل دقیق معادله شرودینگر دارد. چون مکانیک کلاسیک در این حوزه از فیزیک ناکارآمد است،‌ بحث سیستمهای چند ذره ای برای حل معادله شرودینگر مطرح می شود. اساس این روشها، ‌استفاده از تقریب برای حل معادله شرودینگر است یا به عبارت دیگرحل معادله شرودینگر چند ذره ای از طریق حل معادله شرودینگر برای تک ذره. روشهای حل به صورتهای زیر خلاصه می شود :

3-1 آشنایی با محاسبات کوانتومی………………………………………………. 28
3-2 روش هارتری………………………………………………………………….. 28
3-3 روش هارتری-فوک…………………………………………………………….. 30
3- 4 روشهای اختلال………………………………………………………………… 31
3-5 روشهای تابعی چگالی(DFT) ا………………………………………………..31

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

فصل 4 شبیه سازیها.

با توجه به گرانی مواد پلیمری سلولهای آلی ، داده های تجربی برای این مواد محدود است. هدف در این مرحله از پایان نامه محاسبه برخی خواص مهم مکانیکی و ساختاری این پلیمرها است.از جمله خواص مهم :انرژیهای پتانسیل،جنبشی و کل بر حسب دما،نمودار چگالی بر حسب دما،تابع توزیع شعایی(RDF) وساختار بهینه شده پلیمر یا مابقی مواد آلی سلولهای خورشیدی. پلیمر های مد نظر عبارتتند از:P3HT-MEH PPV-MDMO PPV –PEDOT.PSS.نمونه ای از این محاسبات برای پلیمر PANI گزارش شده.]28[در شکل4-1 نمودار انرژی را بر حسب زمان مشاهده میکنیم.همانطور که دیده میشود پس از رسیدن به حالت تعادل انرژی کل ثابت مانده.شکل نشان می دهد که انرژی داخلی در دمای 350K در حدود -4600Kcal/m است.پس در هر دمایی می توان این انرژی را محاسبه کرد.این در حالی است که محاسبه انرژی درونی از مکانیک آماری بسیار سخت است.
1- محاسبه خواص ترمودینامیکی و ساختاری پلیمرها ومولکولهای سلولهای آلی خورشیدی…………………………………………………………………………. 34
2- محاسبه خواص ترموینامیکی و ساختاری نانو لولهای کربنی و سایر نانو مواد ………………………………………………………………………………………37
3- محاسبه چسبش پلیمرها به دور نانو لولهای کربنی و سایر نانو مواد….. 37
4-شبیه سازی جذب پلیمرها و نانو مواد به روی 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