23491

بهينه سازي طراحي پنجره هاي ترموكروميك بر مناي دي اكسيد واناديم

كارشناسي ارشد

فوتونيك

1397

اسفند 1399

محمد حسين مهديه

فيزيك

دي¬ اكسيد واناديم ماده اي است كه داراي گذار فاز نيمه رسانا به فلزمي باشد. اين تغيير فاز در دماي گذار براي حالت توده 68 درجه سانتي گراد اتفاق مي افتد. با تغييرات دما، تغييرات چشمگيري در ويژگي هاي اپتيكي (عبور و انعكاس) اين ماده ايجاد ميشود. اين خاصيت ترموكروميك در دي اكسيد واناديم باعث شده است كه ازآن در طراحي پنجره هاي هوشمند استفاده شود. روش هاي ساخت شيشه هاي هوشمند ترموكروميك بر مبناي دي اكسيد واناديم هزينه بر و زمان بر است. از اين جهت پيدا كردن روشي كه بتواند تطابق خوبي مابين نتايج محاسباتي با نتايج آزمايشگاهي ايجاد كند، بسيار مهم و به صرفه مي باشد. با توجه به نتايج تحقيقات قبلي ضريب شكست با تغيير ضخامت رابطه دارد. در اين تحقيق از د مدل هاي معرفي شده براي ضريب شكست ماده ذكر شده در ضخامت هاي مختلف استفاده شده است. استفاده از اين مدل هاي ذكر شده براي محاسبات عبور از گستره ضخامت 30تا540 نانومتر به طور كامل انجام شده است، به طوري كه براي هر ساختار شامل دي اكسيد واناديم با هر ضخامتي، كمترين اختلاف ممكن مشاهده ميشود. يكي از روش هاي استفاده شده براي بهبود كارايي اين نوع شيشه ها، استفاده از لايه هاي ضد انعكاسي است. در اين تحقيق ضخامت لايه انعكاسي و لايه ي دي اكسيد واناديم بگونه اي بهينه شده است كه عبور در ناحيه ي مرئي در هر دو فاز نيمه رسانا و فلزي افزايش يابد. بعلاوه، پنجره هاي ترموكروميك با اين نوع ساختار (و ضخامت ها) بيشترين تعديل انرژي خورشيدي را در ناحيه ي مادون قرمز (موج گرمايي) دارند. با اين اصول رفتار گذار فيلم هاي نازك پلي كريستال دي اكسيد واناديم بر روي زير لايه شيشه BK7 (بصورت يك منحني هيسترزيسي) محاسبه شده است. در اين بررسي وابستگي نسبي ضخامت به ويژگي¬هاي گذار نيمه رسانا به فلز (SMT) و شكل هيسترزيس توسط مدل هاي مختلف نظري محيط موثر مطالعه شده است. محاسبات نشان داده اند كه يكي از مدل ها (تحت عنوان مدل ماكسول گارنت اصلاح شده) نتايج دقيقتري براي گذار خنك سازي در گستره ضخامت نانو مقياس فيلم ارائه مي دهد. در نتيجه در اين تحقيق بهينه سازي طيف عبوري وابسته به دما از شيشه هاي هوشمند ترموكروميك به وسيله ي ضخامت دي اكسيد واناديم مورد توجه قرار گرفته است.

1400/02/21

Design optimization of thermochromic smart windows based on vanadium dioxide

1/1/1900 12:00:00 AM

Vanadium dioxide is material that has semiconductor to metal transition. This change phase occurs for bulk state at transition temperature 68℃ . By changing the temperature Impressive change can be seen in optical features (like transmittance and reflection). This thermochromic feature of vanadium dioxide have led to use that in designing smart windows. Fabrication method of thermochromic smart windows based on vanadium is costly and time consuming. Hence, finding best refractive index data can lead to good agreement between experimental and calculation result. In regard to result of previous research, refractive index of vanadium dioxide is related to thickness. In this research is used three model for refractive index of above-mentioned material. For calculation of transmittance in thickness range from 30 to 540 nm is used mentioned model. So, there are great agreement for each structure including vanadium dioxide with each thicknesses. One of method are used to improve performance of this type of windows is to use anti-reflection layer. In this research, thickness of anti-reflection layer and vanadium dioxide layer have been optimized such a way that transmission in visible region increase at both semiconductor and metal phase. In addition, the smart windows with this type of structures (and thicknesses) has the most solar energy modulation in infrared region (thermal wave). By this principle, transition behavior of polycrystal vanadium dioxide film on BK7 glass substrate have been calculated by hysteresis curve. In this research, a polycrystalline vanadium dioxide thin film was assumed to be coated on BK7 glass substrates and its semiconductor-conductor transition (hysteresis characteristics) was simulated numerically. In this study by using 5 different models, the relative thickness dependence of the hysteresis semiconductor-metal transition (SMT) characteristics were investigated. The results show that there are small difference between results of the all of models, however, one of these models (Known as modified Maxwell Garnet theory) gives more accurate results at nanoscale thicknesses. The results of these investigations lead in optimization of the vanadium dioxide thickness and its temperature dependence transmission spectrum.

پنجره هاي هوشمند ترموكروميك , منحني هيسترزيس , لايه هاي ضد انعكاسي , دي اكسيد واناديم

Thermochromic smart windows , Hysteresis curve , Anti-reflectio layers , Vanadium dioxide