Gelişmiş Fonksiyonlar
Uçların öz-enerji terimlerini içeren arayüzün Hamiltoniyeni oluşturulduktan sonra, arayüzün geciktirilmiş ve gelişmiş fonksiyonlarını matris ters çevirme ile hesaplayabiliriz.
Bu durumda, sonsuz küçük karmaşık sabit η'nin sayısal olarak uygun değerini belirlemek için acil bir çözüm yoktur; bu parametrenin, metal uçların konumlarında şarj sürekliliği koşulu kullanılarak bir kendi kendine tutarlılık döngüsünün sonunda güncellenmesi gerekir.
Arayüzdeki ω frekanslı bir fonon modu için elektron-fonon eşleşmesi dahil edildiğinde, arayüzün kendi enerjisi aşağıdaki denklemin çözümüdür.
Σ>(E) için özdeş bir denklem vardır; bu durumda f(μ0, E), 1−f(μ0,E) ile değiştirilmelidir. Bu denklem yinelemeli olarak çözülmelidir, çünkü aynı terim, öz-enerji, sol ve sağ taraflarda görünür. Yinelemeli bir çözüm için olağan prosedür, verilen sıfır yaklaşımıyla başlamaktır.
İterasyonun tekrarlanması ve elde edilen sonucun yakınsaması kontrol edildiğinde, arayüzün gerçek öz enerjisi, yeterli sayıda iterasyondan sonra bulunacaktır.
Dengesiz Arayüzünün İşlevleri
Sistemin kendi enerjileri ve Green fonksiyonları bilindikten sonra, denge dışı fonksiyonlar matris çarpımı ile elde edilebilir.
G)(E) arayüzünün fonksiyonlarının hesaplanması, arayüz içindeki toplam yükün ve uçlardaki yerel yükün hesaplanmasına izin verir. Sistemin yük yoğunluğunun bir bölümünün enerji entegrasyonu iki bileşene ayrılmalıdır: ilk bileşen yalnızca geciktirilmiş ve gelişmiş Green fonksiyonlarına dayanır GR(E) ve GA(E), n1 değerini verecektir.
Burada E1, (μ0 − eV /2, μ0 + eV /2)'nin minimum değeridir. Ara aralıkta sistem içindeki yük, dengesizlik fonksiyonundan belirlenmelidir. GR gerçek eksenin altında analitik olmadığı ve GA yukarıda analitik olmadığı için, G< için enerji üzerinden entegrasyon gerçek eksen boyunca gerçekleştirilmelidir.
Burada E2, (μ0 − eV /2, μ0 + eV /2)'nin maksimum değeridir. Arayüzdeki toplam yük artık sabit olarak ayarlanabilir, böylece n1 + n2 = Nint olur. Arayüzdeki elektronların sayısı bilindiği için, entegrasyonda elde edilen sonuçtan η'nin sayısal değerini tahmin edebiliriz.
Ek olarak, elektrotlardaki orbitaller üzerindeki izdüşüm erişilebilir olduğundan, yük yoğunluğu yerel olarak hesaplanabilir. Bu, hesaplamada elde edilen tutarlılık düzeyinin tahmin edilmesini sağlar. Sistem tamamen yakınsanmışsa, uçlardaki yük yoğunluğunun ayrı hesaplamadan elde edilen yük yoğunluğuyla eşleşmesi gerekir. İki yük yoğunluğunun yeterli derecede eşleşmemesi durumunda, tüm döngü tekrarlanır.
Dengesiz Taşıma Özelliklerinin Hesaplanması
Hesaplama yeterince yakınsadığında, herhangi bir fiziksel özelliği, dengesiz Green fonksiyonlarının yardımıyla hesaplayabiliriz. Bununla birlikte, genellikle yalnızca gerçek taşıma miktarlarıyla ilgilenilmektedir. Uçlardan geçen akım verilir.
Bir süper hücre geometrisindeki sistem, A, B uçlarındaki denge koşullarına dayandığından, tüm sistem boyunca akımı hesaplayamayız, çünkü akım kaybolacaktır. Bu, μA = μB = μ0 koşulu altında belirtilen Landauer-Buttiker denkleminden doğrudan görülebilir.
Bununla birlikte, uygulanan Hartree potansiyeli nedeniyle kurşun arayüzlerinin her ikisi de denge dışıdır. Bu nedenle, dengesizlik formülasyonunu kullanarak akımı doğrudan kurşun arayüzlerinden hesaplamak gerekir.
Kendi kendine tutarlılık döngüsünün, A, B uçlarının kendilerinin dengede olmasını sağladığı göz önüne alındığında, arayüz yoluyla yük aktarımının tek kaynağı kurşun arayüzlerinde bulunmalıdır. Öncü arayüzler yalnızca birkaç (tipik olarak yaklaşık üç) katmandan oluştuğu için izin değerlendirilmesi kolaydır. Üç katmanlı bir arayüz için olacaktır.
Elektriksel iletkenlik
Direnç özdirenç formülü
Yarı iletkenlerin özellikleri
İletkenlik formülü
Özdirenç iletkenlik ilişkisi
İletkenlik Nedir
iletkenlik birimi ms/cm
Özdirenç nedir
Şu anda, arayüzlerin denge dışı taşıma özelliklerinin hesaplamalarının, birkaç istisna dışında, atomik yörünge benzeri temel kümeler ve atomik çekirdekler için psödopotansiyel yaklaşımlarla yapıldığına dikkat edilmelidir.
Bu yöntemlerin, örneğin çok katmanlı manyetik taşıma özelliklerinin hesaplanmasında o kadar da güvenilir olmadığı göz önüne alındığında, bu bölümde çizilen yaklaşımın daha fazlası için bir plan sağlayabileceği görülüyor.
Bu bölümde, tünel açma problemlerine yapılan uygulamalar açısından elektron taşıma teorisinin mevcut durumuna bir giriş yaptık. Açık sistemlerin işlevlerine dayanan teorik çerçevenin, dengesiz ortamlara pertürbatif uzantısı yoluyla, atomik ölçekte ilgili tüm fiziksel süreçleri, esasen ilk prensiplerden itibaren ele almak için uyarlanabilir olduğu gösterildi.
Mevcut uygulamalar, sıkı bağlayıcı şemalara veya yerel yörünge geometrisine dayanmaktadır; bu sınırlar dahilinde teori, elektron elektron veya elektron-fonon etkileşimlerinden kaynaklanan sonlu önyargı potansiyelleri ve esnek olmayan etkilerle başa çıkabilir. Çerçevenin, düzlem-dalga ve tam potansiyel yöntemlerini de kapsayacak şekilde genişletildiğinde, yüksek doğruluğun belirleyici olduğu her durumda, atomik ölçekte taşınım simülasyonlarının belkemiğini sağlayacağı öngörülebilir.
Düşük İletkenlikler
Pratik amaçlar için, son bölümde tanıtılan çerçeve, özellikle deneysel ortamın kendisi, taramalı sonda aletlerinde olduğu gibi, belirli süreçlerin olasılığını sınırlıyorsa, genellikle çok geniş bir referans çerçevesidir.
Orada, elektronların taşınmasındaki ana sınırlama, yüzey ile prob ucu arasındaki vakum bariyeridir. Bu durumda, elektron etkileşimlerinden dolayı tünelleme bariyeri boyunca iletkenlikteki değişiklikler küçük olarak kabul edilebilir ve pertürbasyon modellerinde rahatlıkla işlenebilir.
Daha sonra ana görev, iki elektrotun fiziksel özelliklerine dayalı olarak elektronların bariyer boyunca taşınmasını tanımlamaya ve yüksek çözünürlüklü taramalarda kimyasal bağlanmanın başlangıcı veya geçiş sırasında elektron-fonon uyarımları gibi ek etkileri dahil etmeye indirgenir.
Bu etkiler, sistemlerin manyetik özelliklerinden dolayı tünelleme akımındaki değişimlerle birlikte, deneylerdeki gözlemlerin büyük bir kısmını oluşturur. Şu anda, taramalı tünel açma deneylerinin neredeyse tüm simülasyonlarında dört teorik model kullanılmaktadır.
Artan teorik zorluk sırasına göre, bu modeller aşağıdaki gibidir:
• Sabit akım konturlarının yalnızca yüzeyin elektronik yapısından modellendiği Tersoff–Hamann yaklaşımı. Yaklaşım pertürbasyon teorisine ve ucun elektron durumları hakkında belirleyici bir varsayıma dayanmaktadır.
• Uç elektronik yapısının açıkça hesaplamaya dahil edildiği transfer Hamiltoniyeni veya yaklaşımı. Bu orijinal pertürbasyon modelidir; her elektron için iki kurşun arasındaki geçişinde yalnızca çok az yolun bulunduğunu varsayar.
• Saçılma veya Landauer–Bütiker yaklaşımı, elektronları ilk kristal durumlarından son kristal durumlarına tünellemenin çoklu yollarını içerir. Bunun dışında önceki yönteme eşdeğerdir.
• Elektron elektron ve elektron fonon saçılması gibi esnek olmayan etkileri de içeren veya dengesiz fonksiyon yaklaşımı.
Güneş Pillerinin Verimliliği
Güneş pillerinin verimliliği, boşluk enerjisi yukarıdan aşağıya doğru azalacak şekilde, farklı bant boşluklarına sahip birkaç hücrenin istiflenmesiyle önemli ölçüde artırılabilir. Bu şekilde her bir güneş pili, güneş spektrumunun bir kısmını maksimum verimlilikle dönüştürür. Düzenleme aşağıdaki gibi olmalıdır: Üst hücre, geniş aralıklı bir yarı iletkenden oluşur.
Spektrumun kısa dalga boyu kısmını çevirir ve diğer kısmını aşağıdaki hücrelere iletir vb. Güneş spektrumunu ve onun alt bölümünü, tandem bir düzende üç güneş pili ile gösterir. (Tanem başlangıçta iki hücreye atıfta bulunsa da, artık daha fazla hücreli düzenlemeler için de kullanılmaktadır.)
Seri bağlantıdaki iki hücrenin maksimum teorik verimi %41,9’dur ve daha fazla sayıda hücre ile %50 aşılabilir. Bu tür tandem düzenlemeleri, amorf silikon ile daha önce gösterildiği gibi bir dizi ince film ile gerçekleştirilebilir veya bunlar yoğunlaştırma sistemlerine dahil edilebilir.
III-V bileşiklerine ve güneş spektrumunun uygun bölünmesine dayanan üç alt hücreden oluşan yekpare bir yoğunlaştırıcı hücreyi gösterir. Teknolojik bir sorun, hücreler arasında doğrultucu kavşakların bulunmasıdır. Tünel kavşakları ile köprülenmeleri gerekir. Şekil, bu hücrelerin karmaşıklığını göstermektedir.
Tandem hücrelerle bağlantılı bir sorun, seri bağlı hücrelerde her hücrede eşit sayıda fotonun emilmesi (ve dönüştürülmesi) gerekmesidir. Bu, ancak AM 1.5 gibi belirli bir spektral dağılımda gerçekleştirilebilir.
Bu dağılım karasal koşullar altında değiştiği için spektral uyumsuzluk meydana gelecektir. Bariz ama karmaşık bir çözüm, her hücreye ayrı kontaklar sağlamaktır. Mekanik olarak istiflenmiş hücrelere sahip böyle bir düzenleme gösterilmektedir.
Güneş ışığının yoğunlaştırılması, dönüştürme maliyetini azaltmak için III-V hücreler için uygun bir yaklaşımdır. Bir yandan, III-V hücreleri ile en yüksek verimlilikler elde edilebilir; öte yandan çok pahalılar. Konsantrasyon, yalnızca güneşi izleyen optik elemanlar tarafından yoğunlaştırılabilen doğrudan güneş ışığı ile mümkündür.
Konsantrasyon faktörü çok yüksekse, o zaman güneş pilinin maliyeti sistem maliyetinin sadece küçük bir kısmıdır ve bu nedenle, verimlilik çok yüksek olduğu sürece güneş pilleri pahalı olabilir. Bu amaçla, tandem sistemler de dahil olmak üzere yüksek maliyetli III-V bileşikleri bile mümkündür.
Voc, ışık tarafından üretilen akım yoğunluğunun logaritmasıyla orantılı olduğundan, radyasyonun konsantrasyonu da verimliliğin artmasına yol açar. Bu etki gösterilmiştir. Verimlilik yükselir ve maksimuma çıkar çünkü çok yüksek konsantrasyonlarda seri direnç devreye girer. Bir güneş pili için rekor dönüştürme verimliliği, yüksek ışık konsantrasyonunda %38 ile bir tandem hücre tarafından tutulur.
Nano-kristalin boya duyarlı güneş pilleri, hızlı bir rejeneratif fotoelektrokimyasal işlemin mekanizmasına dayanır. Bu tip güneş pilinin geleneksel hücrelerden temel farkı, ışık emiliminden sorumlu fonksiyonel öğenin (boya) yük taşıyıcı taşımanın kendisinden ayrılmasıdır.
n-tipi yarı iletken TiO2 söz konusu olduğunda bu, TiO2-elektrolit arayüzünde emilen bir foton tarafından boya uyarımı ve TiO2’ye bir elektron enjeksiyonu ile başlayan bir çalışma döngüsüyle sonuçlanır. Enjekte edilen elektronlar ön elektrota (şeffaf bir TCO camı) geçebilir ve harici bir akım olarak çıkarılabilir.
Boya daha sonra bir organik çözücüye ve redoks çifti iyodür/triiyodüre dayalı bir redoks elektroliti ile indirgenir. Redoks elektroliti ayrıca karşı elektrot (aynı zamanda bir TCO camı) ve boya molekülleri arasındaki yük aktarımını da gerçekleştirir. Düşük dirençli bir elektron transferi için karşı elektrot, redoks reaksiyonu için bir katalizör görevi gören bir miktar Pt ile kaplanır.
Güneş paneli verimlilik hesabı
Güneş paneli verimliliği
Verimi en yüksek güneş paneli
Organik güneş pilleri
Güneş enerjisi ve güneş pilleri
Güneş pili çalışma Prensibi
Güneş pili nerelerde kullanılır
Güneş paneli ile güneş pili arasındaki fark
Yalnızca yarı iletken yüzeye doğrudan bağlı boya moleküllerinin, %90’dan fazla bir kuantum verimiyle yarı iletkene yük taşıyıcıları verimli bir şekilde enjekte edebildiği gösterilebilir. Bir boya tek tabakasının toplam ışık absorpsiyonu yalnızca küçük olduğundan, bu, gelen ışığa göre fotoakım verimini %1’in çok altında bir değerle sınırlar.
Bu mekanizma, yaklaşık 1.000’lik bir pürüzlülük faktörü ile sonuçlanan nano gözenekli bir morfolojiye sahip titanyum dioksit elektrotlarının hazırlanmasıyla önlenebilir. 90’ların başlarında şaşırtıcı derecede yüksek verimlilik ve iş arkadaşlarının duyurulmasından sonra, bu tür güneş pilleri, geniş alanlı ve düşük maliyetli güneş enerjisi hedefleyen güçlendirilmiş bir geliştirme aşamasındadır.
İlk deneysel başarının ardından, bileşenlerin malzeme parametrelerini I–V karakteristiği ve spektral yanıt gibi tüm hücrenin elektriksel performansıyla ilişkilendiren ilk nicel modellerin oluşturulması yaklaşık on yıl sürdü.
Boya sensitizasyonu kavramının en büyük avantajı, iletim mekanizmasının, geleneksel inorganik hücrelerin azınlık taşıyıcı nakline karşıt olarak çoğunluk taşıyıcı nakline dayalı olmasıdır.
Bu, TiO2 yarı iletkenindeki yük taşıyıcıların toplu veya yüzey rekombinasyonunun gerçekleşemeyeceği anlamına gelir. Bu nedenle, saf olmayan başlangıç malzemelerine ve herhangi bir temiz oda adımı olmaksızın basit bir hücre işlemeye izin verilir, bu da %7-11’lik umut verici dönüşüm verimlilikleri ve fotoelektrokimyasal güneş enerjisi dönüşümü için düşük maliyetli bir cihaz umuduyla sonuçlanır. Bununla birlikte, saf olmayan malzemeler, hücrelerin ömrünü büyük ölçüde azaltabilir.
Boya ile duyarlı hale getirilmiş hücrelerin en önemli konusu, dış ortam koşullarında meydana gelen zaman ve sıcaklık aralıklarındaki kararlılıktır. İçsel bozulmanın önemli ölçüde azaltılabileceği gösterilebilse de, sıvı elektrolitin aşırı koşullar altındaki davranışı hala bir sorundur.
Bu hücrelerin başarılı bir şekilde ticarileştirilmesi için, kapsülleme/mühürleme, renklendirme ve elektrolit dolumu, dolumun son kapanışı da dahil olmak üzere tam otomatik hatlara aktarılmalıdır.
Bu nedenle, sıvı elektrolitin bir jel elektrolit, katı hal elektrolit veya p-iletken polimer malzeme ile değiştirilmesi için önemli bir çaba harcanır. Şimdiye kadar p-tipi iletken malzemeler kullanılarak elde edilen en iyi verimler %1 aralığındadır. Son zamanlarda, Toshiba tarafından bir jel elektrolit kullanılarak %7’nin üzerinde yüksek verimlilikler açıklandı.
Bu hücrelerin elektronik cihazlara olası bir entegrasyonu açısından, nanometre büyüklüğündeki TiO2’nin şeffaf iletken oksit (TCO) cam üzerinde 400◦C’nin üzerindeki sıcaklıklarda gerekli sinterleme adımı belli bir dezavantaj olabilir. Bu termal bütçe nedeniyle, cam elektrot, hücrelerin şeklini düz bir tasarımla sınırlayan tek unsurdur.