سید کیهان حسینی

مصرف انرژی تجدیدناپذیر به‌سرعت در حال افزایش است. همچنین، منابع غیرقابل‌تجدید محدودی در دسترس هستند؛ بنابراین جامعه پژوهشی به طور مستمر برای تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر مانند خورشید، آب، باد و غیره تلاش کرده است. یکی از ابزارهایی که برای تبدیل نور خورشید به الکتریسیته (اثر فتوولتائیک) به کار می‌رود سلول خورشیدی است. به‌منظور توسعه فناوری سلول‌های خورشیدی، سه نسل از آن‌ها معرفی شده‌اند. سلول‌های خورشیدی پروسکایتی یکی از ادوات مربوط به نسل سوم این نوع از فناوری هستند. سلول‌های خورشیدی پروسکایتی به دلیل سهولت ساخت، ارزان‌بودن، ضریب جذب بالا، شکاف انرژی قابل‌کنترل، تحرک بالای حامل بار، بازده تبدیل توان (PCE) عالی و... به محبوبیت زیادی دست پیدا کرده‌اند. نسل جدید سلول‌های خورشیدی پروسکایتی، به‌صورت نیمه ‌شفاف هستند. در این نوع از سلول‌های خورشیدی، اتصال‌های شفاف پشتی همچون اکسید رسانای شفاف (TCO) را با اتصال پشتی فلزی جایگزین می‌کنند؛ بنابراین می‌توانند نور خورشید را از هر دو طرف اتصالات جلوئی و پشتی ساختار جذب کنند. ازاین‌رو، با دریافت شار نور فرودی بیشتر به بهبود جذب در ساختار کمک می‌کنند؛ بنابراین، میزان PCE این افزاره‌ها افزایش می‌یابد. در این پژوهش، مدل‌سازی نوری و الکتریکی یک سلول خورشیدی پروسکایتی نیمه ‌شفاف با اتصال شفاف پشتی با استفاده از نرم‌افزار کامسول انجام شده است. بدین منظور، به روش المان محدود (FEM) در ماژول اپتیکی میزان جذب، بازتاب، عبور نور، میزان تولید زوج الکترون - حفره محاسبه شده‌اند. برای تحلیل الکتریکی ساختار به کمک ماژول نیمه ‌هادی، منحنی مشخصه چگالی جریان - ولتاژ J-V و پارامترهای فتوولتائیک شامل: چگالی جریان اتصال کوتاه، ولتاژ مدار باز، عامل پرشدگی و PCE مربوط به ساختار پیشنهادی بدست آورده شده‌اند. با اعتبارسنجی نتایج حاصل از شبیه‌سازی، یک سلول خورشیدی نیمه ‌شفاف با اتصال پشتی MoOx/ITO و با PCE برابر با %87/13 به‌عنوان ساختار مرجع معرفی شده است. در ادامه با حذف لایه بافر MoOx، PCE به %96/13 افزایش یافت؛ بنابراین، یک ساختار بدون لایه بافر با PCE بالا معرفی شده است که دارای مزایایی همچون: مراحل ساخت کمتر، تسریع در روند ساخت، کاهش مواد موردنیاز و مقرون‌به‌صرفه بودن ساختار است. در ادامه از سه ماده مختلف ITO، IZO و IOH به‌عنوان ماده اتصال پشتی به‌منظور دستیابی به بالاترین PCE استفاده شده است و نتایج به‌دست‌آمده با یکدیگر مقایسه شده‌اند. در این میان، ماده IOH با PCE برابر %31/14 به‌عنوان بهترین ماده اتصال پشتی انتخاب‌شده است. همچنین، مشاهده شد با اعمال نور آلبدو به اتصال پشتی این سلول خورشیدی نیمه ‌شفاف، PCE از %31/14 به %21/18 افزایش می‌یابد. در پایان، به‌منظور افزایش PCE به کمک کاهش اتلاف ناشی از بازتاب فرنل از سطح بالایی ساختار، از لایه‌های ضد انعکاس از جنس MgF2 و با ضخامت بهینه (80)100 نانومتر در سمت اتصال جلوئی (پشتی) استفاده شد. نتایج نشان دادند که با افزودن این لایه‌ها، PCE این ساختار به %69/ 19 افزایش می‌یابد؛ بنابراین، با افزودن لایه‌های ضد انعکاس در دو سمت اتصالات پشت و جلو PCE تا %8 افزایش می‌یابد.

رشد روزافزون فناوری اطلاعات و سرعت بالای افزایش حجم ترافیک شبکه‌های مخابراتی ‌و اینترنت مستلزم تکامل مستمر آن است. مخابرات نوری به دلیل پهنای باند زیاد آن در آینده‌ی صنعت ارتباطات نقش اساسی دارد و لیزرها بخش اصلی و کلیدی فرستنده‌های نوری را تشکیل می‌دهند. از این رو طراحی مناسب لیزر‌ها تاثیر به‌سزایی در عملکرد سیستم‌های مخابرات نوری دارد. در این میان، لیزرهای بازتابنده براگ توزیع‌شده (DBR) به دلیل دارا بودن ساختار تناوبی در شبکه‌های ارتباطات نوری پیشرفته نقش اساسی دارند؛ زیرا ساختار فرکانس‌گزین و تک‌مد آن‌ها از ارسال توان در فرکانس‌های ناخواسته جلوگیری می‌کند. معمولا ساختار لیزرهای بازتابنده ‌براگ‌ توزیع‌شده بر‌اساس چینش InGaAs/InGaAsP/InP طراحی می‌شود. اگر در یک لیزر فابری- پرو (FP) به‌جای یک یا هر دو آینه کاواک از بازتابنده‌های براگ توزیع‌شده استفاده شود، لیزر طراحی شده لیزر DBR نامیده می‌شود. این نوع لیزرها از سه بخش جدا تشکیل شده‌اند که هر بخش به‌طور جداگانه توسط یک الکترود برای کنترل بهره، فاز و طول موج توری براگ به‌‌طور مستقل قابل کنترل است. در این نوع لیزر طول موج براگ (λ_B) بیشترین بازتاب را دارد و نزدیک‌ترین مود ‌طولی کاواک به λ_B کمترین تلفات را دارد. ساختار این نوع لیزرها برای اتصال به‌سایر ادوات، مانند بخش‌های جداگانه برای تنظیم پارامترهای لیزر یا مدولاسیون، مناسب می‌باشد. در این پایان‌نامه برای شبیه‌سازی و تحلیل لیزرهای FP و DBR از نرم‌افزار لومریکال ماژول اینترکانکت استفاده شده است. طراحی لیزرها در فرکانس 414/193 ترا‌هرتز انجام شده، و عنصر توری براگ با ثابت شبکه 194 نانومتر و ضریب شکست موثر 4 تنظیم شده است. برای تحریک نوری محیط فعال و به‌دست آوردن ضریب عبور لیزر FP و ضریب بازتاب لیزر DBR از یک تحلیل‌گر نوری شبکه استفاده شده و طیف حالت پایدار، توان خروجی آنی لیزر، و چگالی حامل‌های محیط بهره مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. علاوه‌بر این، اثرات تغییر ثابت شبکه توری و تغییر دما بر طیف خروجی لیزر بررسی شده‌اند. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که میزان توان گسیل‌شده حول فرکانس مرکزی در لیزرهای FP و DBR به‌ترتیب حدود dBm 4.48049 و dBm 11.3619 می‌باشد، که این نشان‌دهنده افزایش توان خروجی در لیزر DBRنسبت به لیزر FP به میزان dB 6.88 می‌باشد. در ادامه با تنظیم جریان‌های تزریقی به بخش‌های فاز و توری، چند طراحی بهینه برای جبران‌سازی اثر تغییرات ثابت شبکه توری براگ و دمای لیزر DBR انجام شده است.