سید کیهان حسینی

یکی از مشکلات اصلی در سلول های خورشیدی بازدهی پایین است که توسعه آنها را با چالش مواجه کرده است. علت اصلی پایین بودن بازدهی در سلول های خورشیدی، عدم توانایی آنها در به دام انداختن و جذب فوتون های ساطع شده از طرف خورشید است. در سال های اخیر با معرفی ماده پروسکایت امیدهای زیادی برای افزایش بازدهی سلول های خورشیدی به وجود آمده است. اما پروسکایت ها در طول موج های بلند جذب مناسبی ندارند. به همین دلیل برای افزایش جذب و به دام انداختن فوتون های بیشتر در ساختار سلول خورشیدی، در این تحقیق ترکیبی از یک فراسطح متشکل از نانو نوارهای طلا و پروسکایت جهت بهره گیری از اثر پلاسمونیک توسط نانو نوارهای طلا که در لایه پروسکایت تعبیه شده‌اند، پیشنهاد شده است. در ادامه سلول خورشیدی پیشنهاد شده با یک سلول خورشیدی پروسکایتی و یک سلول خورشیدی با ساختار متداول مقایسه شده است. نتایج مقایسه صورت گرفته نشان می دهد که ساختار پیشنهاد شده در طول موج های کم حدود 5 درصد نسبت به نمونه پروسکایتی و 25 درصد نسبت به نمونه متداول و در طول موج های بالا نیز حدود 10 درصد نسبت به نمونه پروسکایتی و حدود 20 درصد نسبت به نمونه متداول جذب نور بیشتری دارد. بنابراین از نتایج بدست آمده می توان نتیجه گرفت که سلول خورشیدی پیشنهاد شده نسبت دو نمونه دیگر عملکرد بهتری دارد.

افزایش میزان ابتلا به سرطان در سالیان اخیر، نیاز به روش‌های تشخیص زودهنگام این بیماری را افزایش داده است. در این زمینه استفاده از حسگر‌های زیستی نوری از جمله حسگر زیستی مبتنی بر تشدید پلاسمون سطحی (SPR) می‌تواند به عنوان یک فناوری قابل اعتماد کارساز باشد. از جمله مزیت‌های این حسگر‌های زیستی می‌توان به هزینه پایین، حجم کم، بدون برچسب، دقت و حساسیت بالا اشاره کرد. در این پژوهش، یک حسگر زیستی مبتنی بر SPR به منظور تشخیص و شناسایی پنج نوع سلول سرطانی Hela، Jurkat، PC-12، MDA-MB-231 و MCF-7 با ضریب شکست‌هایی در محدوده 1"." 368 تا 1"." 401 طراحی شده است. شبیه‌سازی عددی در نرم افزار کامسول به صورت دوبعدی انجام گردیده است. این نرم‌افزار حسگر زیستی را مش بندی کرده و سپس به روش اجزای محدود، معادلات ماکسول را برای هر جزء از این افزاره حل می‌کند و میزان جذب نور، عبور نور، بازتاب نور و نمودار توزیع میدان الکتریکی را به دست می‌آورد. محدوده‌‌ی حسگرزیستی ارائه شده، باند مخابرات نوری می‌باشد. به همین دلیل از طراحی حسگرهایی با حساسیت بسیار زیاد اجتناب شده است تا طول موج تشدید از باند مخابراتی خارج نشود. حسگرزیستی SPR ارائه شده دارای ساختار چند لایه‌ منشور/ نقره/ تیتانیوم دی اکسید/ توری دی آلومینیوم تری اکسید می‌باشد. تحریک ساختار توسط منشور BK7 و با زاویه تابش 75 درجه صورت می‌پذیرد. لایه نقره به ضخامت37 نانومتر برای تولید پلاسمون‌های سطحی به منظور ایجاد تشدید در حسگرزیستی و همچنین کمینه کردن ضریب بازتاب طراحی گردیده است. تیتانیوم دی‌اکسید به ضخامت 22 نانومتر یک لایه محافظتی برای نقره در برابر خوردگی می‌باشد. دو نوع توری از جنس دی آلومینیوم تری‌اکسید با واحدهای نامتقارن و مثلثی شکل بررسی شده است. توری برای افزایش سطح تماس آنالیت با حسگر زیستی به کار گرفته می‌شود. طبق شبیه‌سازی‌های انجام گرفته، توری مثلثی متساوی‌الاضلاع با طول ضلع 200 نانومتر و دوره‌ی 300 نانومتر دارای بهترین عملکرد می‌باشد. حساسیت حسگرزیستی ارائه شده 12214 نانومتر بر واحد ضریب شکست، عرض نصف بیشینه 88 نانومتر، معیار شایستگی 122 بر واحد ضریب شکست، دقت تشخیص 0.0113 بر نانومتر و شاخص کیفیت 14.53 می‌باشد. همچنین عمق نفوذ میدان الکتریکی در حسگرزیستی چندلایه 500 نانومتر محاسبه شد. مقایسه حسگر ارائه شده با ساختارهای پیشین دلالت بر بهبود تمام یا برخی از پارامترهای عملکردی دارد.

با توجه به افزایش نگران‌کننده‌ی شیوع سرطان، توسعه‌ روش‌های تشخیص زودهنگام این بیماری از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از فناوری‌های نویدبخش در این زمینه، استفاده از حسگرهای زیستی نوری است. در این پژوهش، یک حسگر زیستی فراماده طراحی شده است که قادر به تشخیص دقیق سلول سرطانی و سالم از هم می‌باشد. شکل‌های هندسی مختلفی برای لایه فراماده مورد برسی قرار گرفت و نتایج مربوط به هرکدام بررسی شد. با بررسی نتایج بدست آمده و مقایسه آنها، ساختار حلقه شش ضلعی متقارن با چهار رگچه برای شکل هندسی لایه فراماده انتخاب شد که دارای حساسیت و ضریب شایستگی بالایی بود. سلول واحد حسگر پیشنهادی اولیه، یک حلقه شش ضلعی متقارن است که بر روی یک لایه نازک نقره با ضخامت 150نانومتر، که بر روی یک لایه نیترید زیرکونیوم (ZrN) با ضخامت 200 نانومتر قرار دارد، حک شده است. لایه نیترید زیرکونیوم نیز بر روی یک لایه دیگر از نقره با ضخامت 100 نانومتر و یک زیرلایه شیشه سیلیکون دی‌اکسید (SiO2) با ضخامت 2000 نانومتر قرار گرفته است. در ساختار اولیه سلول واحد حسگر، با مقیاس کردن ابعاد تمام لایه‌های ساختار توسط ضریبی مشخص، طول و عرض لایه‌ها برابر با 1200 نانومتر قرار داده شد و در نتیجه محدوده کاری حسگر در باند مخابراتی نوری قرار گرفت. طول موج‌های تشدید حسگر بارگذاری شده با سلول سالم و سلول‌های سرطانی HeLa، Pc12 و MDA-MB231 به ترتیب 1445، 1486، 1489 و 1493 نانومتر می‌باشد. حساسیت و ضریب شایستگی (FoM) حسگر پیشنهادی اولیه به ترتیب 986 (نانومتر/واحد ضریب شکست) و 417 به دست آمد. سپس با انجام شبیه‌سازی‌های عددی تاثیر مقادیر مختلف ضخامت لایه‌های آنالیت، فراماده، زیرکونیم نیترید و سیلیکون دی‌اکسید مشاهده شد که بهترین مقدار ضخامت‌ها به ترتیب برابر با 2000 نانومتر، 150 نانومتر، 100 نانومتر و 500 نانومتر به دست آمد. حساسیت و ضریب شایستگی (FoM) حسگر پیشنهادی نهایی به ترتیب 1016.42 (نانومتر/واحد ضریب شکست) و 3278.80 به دست آمد. مقایسه ساختار شش-ضلعی پیشنهادی با حسگرهای موجود‌ برتری حسگر ارائه شده را نشان می‌دهد.

در این پایان‌نامه یک جذب کننده فراماده پلاسمونی فروسرخ به کمک گرافن-پلیمر برای تشخیص گاز طراحی و شبیه‌سازی شده‌ است. فراماده پلاسمونی پیشنهادی از آرایه نانوآنتن حلقه متناوب طلا (Au) به ضخامت td = 10nm و یک لایه طلای پیوسته به ضخامت tau=100nm تشکیل شده‌است که توسط یک لایه دی الکتریک دی اکسید سیلیکون (SiO2) به ضخامت tsi = 30nm از نانو آنتن‌ها جدا می‌شود. قطر نانو دیسک برابر باd=300nm بوده و با یک لایه گرافن به ضخامت Δ = 0.34nm پوشانده شده‌است. ابعاد سلول واحد پیشنهادی برابر با W=L= 600nm در نظر گرفته شده‌است. حفره‌ی هوایی تعبیه شده درون نانو دیسک، به ضلع r و ضخامت td است. در ابتدا با در نظر گرفتن ضریب شکست گاز بیرونی در مقدار 1، به بررسی اندازه ضلع حفره هوایی بهینه به منظور کسب بالاترین حساسیت‌پذیری، پرداخته شده‌است. نتایج حاصل از شبیه‌سازی حاکی از آن است که با تغییر مقدار ضلع حفره هوایی مکعب مربع از 20nm الی 180nm ، بالاترین حساسیت‌پذیری در طول ضلع 140nm کسب می‌شود. در این حالت مقدار حساسیت به دست آمده برای ضریب شکست گاز بیرونی1 برابر با مقدار 1196.9nm/RIU است. در ادامه برای برای بررسی بهبود احتمالی حساسیت‌پذیری ساختار پیشنهادی، اقدام به پر کردن حفره هوایی مذکور با آب، PMMA و AL2O3 کرده‌ایم. نتایج حاصل از شبیه‌سازی حاکی از این است که در کل محدوده‌ی تغییرات ضریب شکست گاز تحت سنجش (در محدوده‌ی 1 تا 1.12)، بالاترین حساسیت‌پذیری، بالاترین FOM و پائین‌ترین FWHM برای طیف‌های تحت بررسی مربوط به ساختاری است که هیچ پر شدگی در حفره هوایی به طول ضلع 140nm انجام نشده‌است. همچنین کلیه نتایج کسب شده برای سه پارامتر مذکور برای حالتی که حفره هوایی ساختار با آب پر شده‌است، بسیار نزدیک به حالت بدون پر شدگی است. به عبارتی دو حالت پر شدگی با آب و بدون پر شدگی بهترین نتایج از حیث سه پارامتر مذکور در بازه‌ی ضریب شکستی برای گاز تحت سنجش را به دست می‌دهند. دو حالت پر شدگی حفره‌ هوایی با PMMA و Al2O3 دارای نتایج ضعیفتری نسبت به دو حالت پر شدگی با آب و هوا را از خود نشان می‌دهند. بهترین نتایج کسب شده برای ضریب شکست 1.06 برای حالت بدون پر شدگی برای پارامترهای حساسیت‌پذیری، FOM و FWHM به ترتیب برابر با S=3120nm/RIU، 59RIU-1 و 55nm می‌باشد.

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.