Θεωρητική μελέτη φωτονικών υλικών για ηλιακά κύτταρα και αισθητήρες

• Κύριος συγγραφέας: Λαγός, Νικόλαος
• Άλλοι συγγραφείς: Σιγάλας, Μιχαήλ
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2016
• Θέματα: Φωτονικοί κρύσταλλοι; Ανιχνευτές; Photonic crystals; Detectors; 548.9

Η εκπόνηση της διδακτορικής αυτής διατριβής είχε έναν διττό σκοπό. Τη μελέτη συστημάτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πιθανές δομές ανίχνευσης ή καθορισμού βιολογικών παραγόντων καθώς και την περιγραφή (ποσοτικά και ποιοτικά) δομών που χαρακτηρίζονται από πιθανή (θεωρητικά) αυξημένη απορρόφηση και υψηλή ικανότητα μετατροπής του ηλιακής ενέργειας (ορατό φάσμα) σε ηλεκτρική ενέργεια. Η ανάγκη για την ύπαρξη εφαρμογών που θα μπορούν να κατηγοριοποιούν μια φυσική ουσία ή να την διαχωρίζουν από ένα σύνολο άλλων με παρεμφερείς όμως χημικές ή φυσικές ιδιότητες στις μέρες μας είναι συνεχής. Η ολοένα αυξανόμενη πρόοδος της Νανοτεχνολογίας και της Βιολογίας εστιάζεται όλο και περισσότερο στην ανάπτυξη αισθητήρων ανίχνευσης νανοσωματιδίων ή και βιολογικών μορίων. Η προσέγγιση μέσω "οπτικών μεθόδων" της δυνατότητας αυτής παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα με χαρακτηριστικότερα από αυτά το μικρό μέγεθος της διάταξης και την υψηλή ευαισθησία. Στα πλαίσια αυτά οι φωτονικοί αισθητήρες έχουν αποτελέσει εδώ και αρκετά χρόνια ένα πεδίο δοκιμών κυρίως όσο αφορά την ανάπτυξη και τη σύνθεση τους. Όπως και οι υπόλοιποι φωτονικοί ανιχνευτές εντοπίζουν τις αλλαγές στον δείκτη διάθλασης του περιβάλλοντος μέσου. Η αποδεδειγμένη δυνατότητα τους να εντοπίζουν ασθενείς μεταβολές 2∙10−3σε ένα χώρο διαστάσεων 102 καθώς και το γεγονός πως μπορούν να λειτουργούν είτε σαν κοιλότητες συντονισμού είτε σαν κυματοδηγοί τους καθιστά ιδιαιτέρως σημαντικούς. Στη παρούσα εργασία προσεγγίζουμε το πρόβλημα της ανίχνευσης αξιοποιώντας και τις δύο δυνατότητες. Αρχικά εξετάζουμε πως ένα σύστημα αποτελούμενο από δύο micro discs με υλικό σύνθεσης το πυρίτιο συμπεριφέρεται και εν συνεχεία ποια είναι η βέλτιστη δομή προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη δυνατή ευαισθησία στην διαδικασία εντοπισμού και καθορισμού μίας ουσίας. Ακολούθως παρουσιάζεται μια σύνθεση κυματοδηγού βασιζόμενη επίσης στο πυρίτιο. Τα συγκεκριμένα συστήματα έχουν προταθεί και χρησιμοποιηθεί ως σημειακοί ανιχνευτές ειδικά λόγω του πεδίου επιφανείας που δημιουργείται (evanescent field) . Σχετικά με αυτές τις προσπάθειες υπάρχουν αναφορές για κυματοδηγούς με σχισμή μερικών nm που εντοπίζονται στο κέντρο του συστήματος. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε αυτή τη περίπτωση είναι ισχυρά εντοπισμένα μέσα στη σχισμή με αποτέλεσμα να αυξάνουν την ευαισθησία σε πολύ μικρές μεταβολές στο δείκτη διάθλασης. Πιο συγκεκριμένα σε αυτή την εργασία περιγράφεται ένας κυματοδηγός με «σχισμή» που όμως επιπροσθέτως συμμετρικά της σχισμής υπάρχουν οπές ίσες στο πλήθος σε μια προσπάθεια να αναλυθεί η συνδυαστική επίδραση τους στην τυχόν αύξηση που μπορεί να επιτευχτεί στην ευαισθησία. Τόσο στη περίπτωση των μικροδίσκων όσο και σε αυτή του κυματοδηγού ο κύριος όγκος των υπολογισμών έγινε με τη μέθοδο της Finite-Difference-Time-Domain (FDTD). Πρόκειται για μια αριθμητική τεχνική μοντελοποίησης κλασσικών προβλημάτων ηλεκτροδυναμικής. Καθώς πρόκειται για μια χρονοεξαρτούμενη μέθοδο οι λύσεις μπορούν να καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων με ένα μόνο υπολογισμό και αυτό τη κάνει κατάλληλη για την επίλυση πολύπλοκών συστημάτων εξισώσεων όπως οι πλήρης εξισώσεις Maxwell. Στο πεδίο των ηλιακών κυττάρων και γενικότερα των δομών που θεωρητικά, πειραματικά αλλά και στη "πράξη" έχουν αποδείξει πώς είναι εφαρμόσιμες εστιάζεται το δεύτερο τμήμα της διατριβής. Υπάρχει μια συνεχής και αυξανόμενη "στροφή" του επιστημονικού ενδιαφέροντος στα φωτοβολταϊκά (PV) καθώς αποτελούν μια από τις πολλά υποσχόμενες ανανεώσιμες πηγές με δυνατότητα αξιοποίησης σε βιομηχανική κλίμακα και όχι μόνο καθαρά πειραματικά. Πιο συγκεκριμένα καθώς το πυρίτιο παραμένει ακόμα το κυρίαρχο υλικό όσο αφορά την ανάπτυξη τέτοιων μορφών μια νέα τάση που εμφανίζεται στην κατεύθυνση των φωτοβολταικών (PV) είναι τα Νανοσύρματα. Λόγο του τρόπου σχεδιασμού τους επιτρέπουν τον ακριβή και ελεγχόμενο καθορισμό διαφόρων παραμέτρων που αφορούν την απόδοσή τους όπως είναι η χημική σύνθεση τους, η δομή της διόδου, κ.α. Εδώ χρησιμοποιούμε τη μέθοδο RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) για να υπολογίσουμε τους συντελεστές ανάκλασης και διάθλασης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων καθώς αυτά διέρχονται της περιοχής των νανοσυρμάτων. Σκοπός μας είναι να καθορίσουμε το βέλτιστο συνδυασμό των παραμέτρων (περιοδικότητα, συγκέντρωση ανά μονάδα όγκου) προκειμένου να πετύχουμε τη μέγιστη απορρόφηση σε όσο το δυνατών μεγαλύτερη έκταση του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Πέραν των Νανοσυρμάτων ως πιθανοί υποψήφιοι για την επίτευξη και παραγωγή βιώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας επιπλέον δύο δυνατότητες ελέχθησαν και προσομοιώθηκαν. Πιο συγκεκριμένα εστιάσαμε το ερευνητικό μας ενδιαφέρον στην μελέτη της απορρόφησης του ηλιακού φωτός από νανοσωματίδια Χρυσού ή Αργύρου (nanoparticles Au/Ag) παρουσιάζοντας μια νέα ολοκληρωμένη προσέγγιση τόσο αναλυτικά όσο και αριθμητικά ενώ επίσης εξετάσαμε την ικανότητα φυσικών χρωστικών ουσιών να αυξάνουν την δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σχηματίζοντας μια νέα κατηγορία φωτοβολταικών κυττάρων τα Φωτοευαισθητοποιημένα Ηλιακά Κύτταρα παρουσία Χρωστικής ουσίας. Όσο αφορά την εφαρμογή των νανοσωματιδίων (Ag/Au or mixed cases) έγινε φανερό πως με τη χρήση απλών εξισώσεων/μοντέλων μπορούν να υπολογιστούν με αρκετά μεγάλη ακρίβεια όλα τα χαρακτηριστικά μιας καμπύλης απορρόφησης σε πραγματικό χρόνο (εν συγκρίσει με το χρόνο υπολογισμού με βάση μια μεταβολική Θεωρία - FDTD) ακόμα και σε ιδιαίτερες συνθήκες όπως μεγάλα filling ratio η υπόβαθρα με μεγάλες τιμές του δείκτη διάθλασης (εξετάσαμε ένα εύρος τιμών από τα καθαρά οργανικά έως και τα όρια του πυριτίου). Πέρα όμως της ανάπτυξης μιας συμπαγούς μεθόδου υπολογισμού και σε επέκταση της αρχικής επιτυχημένης προσπάθειας μας, προχωρήσαμε επίσης στην ενσωμάτωση τόσο σε επίπεδο αλγορίθμου όσο και σε επίπεδο ανάλυσης όλων εκείνων των χαρακτηριστικών που θα μας επέτρεπαν να μελετήσουμε περισσότερο πολύπλοκα συστήματα όπως μίξεις 3 ή περισσοτέρων διαφορετικών ειδών νανοσωματιδίων, διαφορετικών διαστάσεων αλλά και συνδυασμών σε διαφορετικά υποστρώματα. Έτσι έχοντας πια αποκτήσει το κατάλληλο θεωρητικό υπόβαθρο προχωρήσαμε στην προσομοίωση συστημάτων , ομοίων με όσα αναπτύχθηκαν από ομάδα πειραματικών ερευνητών, υβριδικών συνδυασμών Αg και Αu που επιδεικνύουν οπτική συμπεριφορά ανάλογη με αυτή των μεμονωμένων στοιχείων και που θεωρητικά προσομοιώθηκαν με μεγάλη επιτυχία από τη μέθοδο μας. Τα Φωτοευαισθητοποιημένα Ηλιακά Κύτταρα-Dye Sensitized Solar Cells (DSSCs) υπήρξαν τέλος, μια ακόμα «περιοχή» ενδιαφέροντος όπου μελετήθηκαν και προσομοιώθηκαν δομές με υψηλές πιθανότητες απορρόφησης φωτός. Tα DSSCs είναι ουσίες (μονοκρυσταλλικά και πολυμερή υμένια) που εμφανίζουν να έχουν εξίσου ή και σημαντικότερη απόδοση σε σχέση με τα κλασσικά πυριτιούχα Ηλιακά Κύτταρα. Η δική μας θεώρηση στη μία περίπτωση αφορούσε σφαίρες Οξειδίου του Τιτανίου (TiO2) επικαλυπτόμενες με τη συγκεκριμένη χρωστική σε διάταξη FCC ενώ η άλλη αναλύει μια άλλη δομή αυτή των Νανοσωλήνων. Εδώ οι «σωλήνες» έχουν κυλινδρικό σχήμα με εσωτερική οπή συγκεκριμένης διαμέτρου. Και σε αυτή τη περίπτωση τα νανοσωλήνες αποτελούνται από (TiO2) ενώ τα περιβάλλει η προς εξέταση χρωστική ουσία. Σε κάθε περίπτωση υπολογίζεται η καμπύλη απορρόφησης σε σχέση με μια φυσική μεταβλητή (μήκος κύματος/ενέργεια φωτονίων) και ταυτόχρονα περιγράφεται ποιοτικά και ποσοτικά ο τρόπος συσχετισμού των δύο μεγεθών.