Υπολογιστικές μελέτες υλικών για εφαρμογές σε φωτοβολταϊκά στοιχεία

Απέργη, Σοφία; Apergi, Sofia

dc.contributor.author	Απέργη, Σοφία	el
dc.contributor.author	Apergi, Sofia	en
dc.date.accessioned	2020-04-07T09:11:53Z
dc.date.available	2020-04-07T09:11:53Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/50084
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17782
dc.rights	Default License
dc.subject	Φωτοβολταϊκά	el
dc.subject	Περοβσκίτες	el
dc.subject	DFT	en
dc.subject	Photovoltaics	en
dc.subject	Solar cells	en
dc.subject	Perovskites	en
dc.title	Υπολογιστικές μελέτες υλικών για εφαρμογές σε φωτοβολταϊκά στοιχεία	el
dc.title	Computational study of materials for photovoltaic applications	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Φυσική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-07-02
heal.abstract	Η διπλωματική αυτή εργασία εστιάζει στην υπολογιστική μελέτη υλικών που χρησιμοποιούνται σε φωτοβολταϊκά και, ιδιαίτερα, στη μελέτη περοβσκιτών. Όπως αναφέρεται στο πρώτο κεφάλαιο, η ανθρωπότητα πρέπει να στραφεί σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, χωρίς άνθρακα, ώστε να περιοριστούν οι, επικίνδυνες για το περιβάλλον και τον άνθρωπο, εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα. Μία εναλλακτική πηγή είναι ο ήλιος, αφού τεράστια ποσά ηλιακής ενέργειας φτάνουν καθημερινά στη Γη, ωστόσο η εκμετάλλευσή τους πρέπει να καταστεί οικονομικότερη, ώστε να εξαπλωθεί. Για το λόγο αυτό, χρειάζονται υλικά, όπως οι περοβσκίτες, των οποίων η χρήση σε φωτοβολταϊκά θα οδηγήσει σε υψηλές αποδόσεις μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική και χαμηλά κόστη κατασκευής. Η υπολογιστική μελέτη υλικών καθιστά εφικτό τον προσδιορισμό χρήσιμων ιδιοτήτων των υλικών, μέσω προσεγγίσεων. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η θεωρία της μεθόδου συναρτησιοειδούς πυκνότητας (Density Funtional Theory ή DFT), η οποία χρησιμοποιήθηκε σεDensity Funtional Theory ή DFT), η οποία χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την εργασία, για τον προσδιορισμό των δομικών και ηλεκτρονιακών χαρακτηριστικών των υπό μελέτη υλικών. Επιπλέον, περιγράφεται συνοπτικά το λογισμικό QUANTUM ESPRESSO και το υπολογιστικό σύστημα ARIS που χρησιμοποιήθηκαν για τους υπολογισμούς. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται, αρχικά, ο γνωστός κυβικός περοβσκίτης α-CsPbICsPbI3, ο οποίος μελετήθηκε με σκοπό τη γνωριμία και την εξοικείωση με τους υπολογισμούς, αλλά και την εξακρίβωση της εγκυρότητάς τους. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η περαιτέρω διερεύνηση του περοβσκίτη CsPbI3, καθώς και η μελέτη που πραγματοποιήθηκε για τους περοβσκίτες MAPbI3 και FAPbI3. Τα υλικά αυτά έχουν προσελκύσει τεράστιο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, κυρίως λόγω του ότι με τη χρήση τους ως απορροφητές σε φωτοβολταϊκά έχουν επιτευχθεί πολύ υψηλές αποδόσεις, συγκρίσιμες με τις αποδόσεις των εμπορικών φωτοβολταϊκών κελιών. Μεγαλύτερη έμφαση δίνεται στις ηλεκτρονιακές τους ιδιότητες, ενώ μελετήθηκαν, επιπλέον, ορισμένες ενδογενείς ατέλειες και η διάχυση του ιωδίου στο CsPbI3. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι διπλοί περοβσκίτες Cs2BiAgCl6 και Cs2BiAgBr6. Τα υλικά αυτά βρέθηκαν στο προσκήνιο, λόγω της προσπάθειας αντικατάστασης του τοξικού μολύβδου των περοβσκιτών, με άλλα στοιχεία. Οι ιδιότητές τους δε θεωρούνται ιδανικές για εφαρμογή σε φωτοβολταϊκά, ωστόσο πιθανόν να υπάρχει περιθώριο βελτίωσής τους. Εκτός από τις ηλεκτρονιακές ιδιότητες των δομών ισορροπίας, παρουσιάζεται η μελέτη των διαφορετικών, ελαφρώς λιγότερο σταθερών, διαμορφώσεων που έχουν, όμως, καλύτερες ηλεκτρονιακές ιδιότητες, αλλά και η επίδραση της πίεσης σε ορισμένες από αυτές τις διαμορφώσεις. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται, τέλος, η μελέτη ενός υλικού που, ενώ δεν είναι περοβσκίτης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε φωτοβολταϊκά, ως στρώμα μεταφοράς οπών. Το υλικό αυτό είναι το ΜοΟ3 και μελετήθηκε, εκτός από την τριδιάστατη, και η διδιάστατη δομή του. Έμφαση έχει δοθεί στην επίδραση των κενών θέσεων οξυγόνου, στις ηλεκτρονιακές ιδιότητες της δομής, ενώ, επιπλέον, μελετήθηκε η διάχυση του οξυγόνου στο διδιάστατο ΜοΟ3.	el
heal.abstract	This thesis focuses on the computational study of materials used in photovoltaic applications and, particularly, on the study of perovskites. As stated in the first chapter, there is an immense need to replace carbon-CsPbIbased fuels, with fuels produced from renewable resources, in order to reduce carbon dioxide emissions, which are harmful to the environment and life in general. An alternative energy source is the sun, since a huge amount of solar energy reaches the Earth every day, but the costs of its exploitation are still high. For this reason, materials like perovskites are needed, whose use in photovoltaics will lead to high solar energy conversion efficiencies and low manufacturing costs. Through the computational study of materials, a number of approaches is used, with the purpose of determining useful properties of the materials. In the second chapter, the Density Functional Theory (Density Funtional Theory ή DFT), η οποία χρησιμοποιήθηκε σεDFT) is presented, which was used in this thesis to determine the structural and electronic properties of the studied materials. In addition, the QUANTUM ESPRESSO software and the ARIS computing system, that were used for the calculations, are briefly described. In the third chapter, the known cubic perovskite α-CsPbICsPbI3 is introduced, which was studied in order to verify the validity of the calculations. Following that, further investigation of the CsPbI3 perovskite, as well as the study of the MAPbI3 and FAPbI3 perovskites, are presented. These materials have attracted the interest of researchers over the last few years, mainly due to the fact that, by using them as absorbers in solar cells, very high efficiencies have been achieved, comparable to those of commercial solar cells. Greater emphasis is placed on their electronic properties, while some intrinsic defects and the diffusion of iodine in CsPbI3 have been studied. In the fourth chapter, double perovskites Cs2BiAgCl6 and Cs2BiAgBr6 are presented. These materials are under the spotlight, due to the effort to replace the toxic lead in perovskites, with other elements. Their properties are not ideal for photovoltaic applications, nevertheless it might be possible to improve them. In addition to the electronic properties of the most stable configurations, the study of other, less stable configurations with superior electronic properties are presented, as well as the effect of pressure on some of these configurations. Lastly, in the fifth chapter, a material is presented, which, while not being a perovskite, can be used in photovoltaics as a hole transport layer. This material is MoO3 and the study of both three-CsPbIdimensional and two-CsPbIdimensional structures is presented. Emphasis has been placed on the effect of single oxygen vacancies on the material’s electronic properties, while oxygen diffusion in the two-CsPbIdimensional MoO2 has, also, been studied.	en
heal.advisorName	Τσέτσερης, Λεωνίδας	el
heal.committeeMemberName	Ράπτης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Κόντος, Αθανάσιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών. Τομέας Φυσικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	100 σ.
heal.fullTextAvailability	true