مدل فیزیکی سه گانه برای سلول های خورشیدی آلی

یکی از مناسب ترین راهکار ها برای رویارویی با معضل تأمین انرژی در جهان امروز، مهار انرژی خورشیدی توسط ادوات فتوولتایی است. اگرچه در حال حاضر ادوات خورشیدی غیرآلی سهم غالب را در بازار جهانی دارند، هزینه ی بالای این نوع ادوات استفاده از آن ها را در مقیاس های بزرگ محدود می نماید. از این رو در سال های اخیر، تحقیقات گسترده ای در زمینه ی فناوری های فتوولتایی ارزان، از جمله ادوات فتوولتایی آلی، صورت گرفته است. ویژگی های جالب این نوع ادوات شامل ساخت آسان، هزینه ی پایین، انعطاف پذیری بالا، نیمه شفاف بودن، سازگاری با سایر ادوات الکترونیکی آلی و قیمت بسیار پایین، آن ها را برای استفاده در بسیاری از کاربرد ها مناسب می نماید. دو چالش اساسی در زمینه ی این ادوات، بازدهی و طول عمر نسبتا کم آن ها در مقایسه با سایر فناوری های فتوولتایی است. در سال های اخیر، دانشمندان تلاش کرده اند که با ارائه ی ایده های نوین و سنتز مواد جدید، بازدهی این نوع سلول ها را افزایش دهند. نتیجه ی این تلاش رسیدن به بازدهی بیش از 12% است؛ هم چنین، طول عمر این سلول ها نسبت به نظایر غیرآلی خود بسیار پایین تر است. با کپسوله کردن این ادوات تا حدی می توان طول عمر آن ها را افزایش داد، اما این منجر به افزایش قیمت این قطعات می شود. به منظور بهبود بازدهی و طول عمر این سلول ها، ابتدا نیاز به درک و توصیف فرایندهای فیزیکی حاکم بر آن ها و سپس کنترل این فرایند ها در راستای مناسب می باشد. با مدل سازی رفتار این نوع سلول ها از جهات مختلف می توان به این اهداف دست یافت. در این پژوهش سه جنبه ی اساسی، یعنی رفتار الکتریکی، نوری و حرارتی سلول مد نظر قرار گرفته شده است. این سه مدل تشکیل یک مدل سه گانه را می دهند که قادر است رفتار سلول خورشیدی را از سه جهت متفاوت مدل کند. ابتدا با معرفی روشی نوین برای استخراج مقاومت سری متغیر با ولتاژ در سلول های خورشیدی آلی و گنجاندن این مقاومت در مدل الکتریکی عددی، به مدل الکتریکی بهبود یافته ای دست یافتیم. سپس با استفاده از این مدل، تأثیر استفاده از حلال های مختلف بر عملکرد سلول های خورشیدی آلی را بررسی کردیم. پس از آن، با توسعه ی مدل نوری یک بعدی سلول های خورشیدی (مدل ماتریسی) به تخمین جریان اشباع معکوس و توان حرارتی تولیدی در واحد سطح یک سلول خورشیدی آلی در لایه های مختلف آن پرداختیم. بدین ترتیب، سهم هر لایه در تولید انرژی حرارتی تعیین شد. این مدل در سایر ادوات فتوولتایی نیز کاربرد داشته و با استفاده از آن می توان بسیاری از پارامتر های مهم قطعه از جمله ضخامت لایه، تعداد فوتون های جذب شده و غیره را به دست آورده و یا بهینه سازی نمود. در نهایت، با توسعه ی دو مدل حرارتی سه بعدی (مدل ماتریسی و مدل مقاومتی)، به آنالیز حرارتی سلول های خورشیدی آلی پرداختیم. این دو مدل قابل استفاده در سایر ادوات الکترونیک نوری هم چون دیود های نوری نیز هستند. با استفاده از مدل حرارتی ماتریسی می توان رفتار حالت گذرا و حالت دائم یک قطعه را پیش بینی نمود. مدل مقاومتی از مدل ماتریسی ساده تر و سریع تر است؛ لذا، در مواردی که رفتار حالت گذرای سیستم اهمیتی ندارد، می توان از این مدل بهره جست. این موضوع بخصوص در مسائل بهینه سازی اهمیت می یابد.