3-3-1-آماده سازي فوتوآند44
3-3-1-1- شستشوي زيرلايه……..44
3-3-1-2-لايه نشاني خمير نانوذره?اي TiO2 به روش دکتر بليد45
3-3-1-3-پخت حرارتي در کوره………..47
3-3-1-4-حساس?سازي فوتوآند با نقاط کوانتومي کادميوم سولفيد به روش سيلار (SILAR)47
3-3-1-5-ساخت نقاط کوانتومي CdSe و حساس?سازي آند به روش حمام شيميايي(CBD)49
3-3-2-آماده?سازي الکترود کاتد52
3-3-2-1-ساخت کاتد نوع اول از جنسCuS53
3-3-2-2-ساخت کاتد نوع دوم از جنس PbS53
3-3-2-3-ساخت کاتد نوع سوم از جنس مس سولفيد/ سرب سولفيد و سرب سولفيد/مس سولفيد54
3-3-2-4-ساخت کاتد با لايه نشاني پي در پي CuS/PbS… به روش سيلار54
3-3-3-ساخت الکتروليت پلي سولفيد براي سلول هاي خورشيدي حساس شده با نقاط کوانتومي55
3-3-4- بستن سلول هاي QDSSCs55
3-4-روش هاي مشخصه يابي فوتوولتايي سلول هاي خورشيدي نقطه کوانتومي57
3-4-1-اندازه گيري منحني هاي ولتاژ – جريان57
3-4-1-1-اندازه گيري منحني هاي ولتاژ-جريان در روشنايي57
3-4-1-2-اندازه گيري بازدهي تبديل انرژي خورشيدي به الکتريکي و فاکتور کارکرد سلول57
3-4-1-3-اندازه گيري منحني هاي ولتاژ-جريان در تاريکي58
3-4-2-اندازه گيري افت ولتاژ سلول با زمان58
3-4-3-طيف سنجي امپدانس الکتروشيميايي (EIS)60
فصل 4-تحليل و نتايج مشخصه يابي سلول هاي ساخته شده64
4-1-مقدمه64
4-2- آناليز ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) نانو ذرات تيتانيوم اکسيد64
4-3-طيف جذب و عبور آند ها67
4-4- مشخصه يابي کاتد ها به روش SEM68
4-5- مشخصات فوتوولتايي سلول هاي ساخته شده بر پايه کاتدهاي مختلف71
4-6- بررسي اثر افزايش تعداد سيکل هاي سيلار در ساخت کاتد هاي نانو کامپوزيتي76
4-7-آناليز امپدانس الکتروشيميايي79
4-7- بررسي گرافن به عنوان کاتد در QDSSCs81
4-7-1-ساخت کاتد با پوشش گرافن و کامپوزيت آن با سرب سولفيد81
4-7-2-بررسي مشخصه هاي فوتوولتايي سلول ها با کاتد گرافن / سرب سولفيد82
4-7-3-ساختار ترکيبي گرافن با ديگر ساختار هاي نانو کامپوزيتي به عنوان کاتد83
4-8-مقايسه ي کاتد هاي نانوکامپوزيتي با کاتد هاي ترکيبي باگرافن87
فصل 5-نتيجه?گيري و پيشنهادات93
5-1-جمع بندي و نتيجه?گيري93
5-2-پيشنهادات94
مقالات ارائه شده95
فهرست مراجع96

فهرست جدول‌ها
عنوانصفحه
جدول ‏2-1 .نقاط کوانتومي مختلف به عنوان حساس?کننده در QDSSCs 35
جدول ‏2-2 . خلاصه?اي از QDSSCs بر پايه?ي کاتد?هاي مختلف.37
جدول ‏3-1 .مواد اوليه استفاده شده در تحقيق41
جدول ‏4-1 . مشخصات فوتوولتايي سلول?هاي ساخته شده با کاتدهاي مختلف.73
جدول ‏4-2. مشخصات فوتولتايي سلول ها با کاتد هاي نانو کامپوزيتي با تعداد مختلف سيکل سيلار74
جدول ‏4-3. مشخصات فتوولتايي سلول هاي ساخته شده با افزايش تعداد سيکل هاي سيلار کاتدهاي نانو کامپوزيتي مس سولفيد / سرب سولفيد76
جدول ‏4-4 . مقاومت سري (Rs) و مقامت انتقال بار (Rct) از کاتد به الکتروليت که از آناليز EIS اندازه?گيري شد.79
جدول ‏4-5 . مشخصات فوتوولتايي سلول هاي ساخته شده با کاتد گرافن/سرب سولفيد باافزايش تعداد دفعات لايه نشاني چرخشي گرافن82
جدول ‏4-6. مشخصات فوتوولتايي سلول هاي ساخته شده بر پايه کاتد گرافن و ترکيب گرافن با ديگر نانوکامپوزيت ها84
جدول ‏4-7. مشخصات فوتولتايي سلول هاي ساخته شده با کاتد هاي نانو کامپوزيتي و ترکيب اين کاتد ها با گرافن88
فهرست شکل‌‌ها
عنوانصفحه
شکل ‏1-1 . طرح?واره?اي از(a): يک سلول?خورشيدي رنگدانه?اي، (b):دياگرام انرژي در يک DSSC…………….5
شکل ‏1-2 . طرح?واره اي از فرايندهاي انتقال و بازتركيب در سلول?هاي خورشيدي رنگدانه اي9
شکل ‏2-1 . نمودار شماتيک انرژي نانو ذره که بين حالت مولکولي و ماده توده نيمه?رسانا است.13
شکل ‏2-2 .(A): تصوير ساختار CdSexS1-x در سلول?هاي پشت سر?هم. (B): نمودار گاف انرژي که نشان مي?دهد، گاف?هاي انرژي براي بهبود بخشيدن در انتقال بار به صورت آبشاري کنار?هم قرار گرفتند. (C) طيف جذب ساختارهايي با نسبت?هاي متفاوت Se/S و تأثير اين نسبت?ها بر روي گاف انرژي نقاط کوانتومي15
شکل ‏2-3 . واهلش/سرد شدن حامل?هاي داغ در نيمه?هادي?ها و تبديل انرژي جنبشي حامل به گرما از طريق گسيل فونون16
شکل ‏2-4 . توليد چندين جفت الکترون-حفره (MEG) در نقاط کوانتومي به وسيله يونيزاسيون مؤثر18
شکل ‏2-5 . وابستگي گاف انرژي نقاط کوانتومي به اندازه ي آن ها.19
شکل ‏2-6 .شماي کلي QDSSCs و نحوه?ي عملکرد آن?ها20
شکل ‏2-7 . تصوير FE-SEM مربوط به نانوذرات 20 نانومتري دي اکسيد تيتانيوم بر روي زير لايه?ي FTO21
شکل ‏2-8 . دو روش جذب مستقيم و جذب به واسطه?ي مولکول? اتصال دهنده .23
شکل ‏2-9 .روش لايه نشاني سيلار به صورت شماتيک.24
شکل ‏2-10 . زمان انتقال بار براي DSSCs (نمودار بالايي) و براي SSSCs (نمودار پاييني) را نشان ميدهد.29
شکل ‏2-11 . انتقال بار از يک بلور نيمه?هادي برانگيخته به يک ذره?ي اکسيدي (A). دو ذره?ي بلور نيمه?هادي متصل که تنها يکي از آن?ها به لايه?ي اکسيدي متصل است و توليد بار در بلوري که به لايه اکسيدي متصل نيست اتفاق مي?افتد (B)32
شکل ‏2-12 . منحني بازدهي توليد جريان از تابش فوتون فرودي (IPCE) براي لايه?هاي TiO2 حساس شده با CdS ، که هر بار پوشش شامل غوطه ور کردن TiO2 در پيش ماده Cd2+ و شستشو با آب و فروبردن در محلول آبي سولفيدي و شستشو دوباره مي?باشد.33
شکل ‏2-13 . منحني IPCE لايه?ي ZnO/CdSe به ازاي دماي مختلف پخت حرارتي (a). طيف XRD الکترودهاي ZnO/CdSe برحسب دماي پخت حرارتي که C و H در شکل نشان دهنده?ي فاز مکعبي و هگزاگونال CdSe مي?باشد(b)34
شکل ‏3-1 شماي کلي سلول خورشيدي بر پايه نانو ذزات تيتانيوم اکسيد حساس شده با نقاط کوانتومي کادميوم سولفيد و کادميوم سلنيد44
شکل ‏3-2 روش پوشش دهي چسب اسکاچ بر روي FTO جهت لايه نشاني به روش دکتر بليد46
شکل ‏3-3 روش دکتر بليد نانو ذرات TiO246

شکل ‏3-4 نحوه ي انجام روش سيلار براي لايه?نشاني نانوذرات کادميوم سولفيد48
شکل ‏3-5 رنگ لايه ها بعد از لايه نشاني کادميوم سولفيد49
شکل ‏3-6 نحوهي آماده شدن پيش مادهي سلنيوم درون حمام آب49
شکل ‏3-7 تصوير تغيير رنگ پيش ماده سلنيوم به محلولي بي رنگ50
شکل ‏3-8 لايه هاي CdS درون پيش ماده سلنيوم قرار گرفت51
شکل ‏3-9 روش سيلار براي لايه نشاني لايه روي سولفيد بر روي آندها را نشان ميدهد52
شکل ‏3-10 تغيير رنگ در اثر لايه نشاني روي سولفيد را نشان مي دهد52
شکل ‏3-11 نحوي سيلار پي در پي مس سولفيد و سرب سولفيد54
شکل ‏3-12.نحوه ي ساخت الکتروليت پلي سولفيد55
شکل ‏3-13 سلول خورشيدي حساس شده با نقاط کوانتومي CdS و CdSe56
شکل ‏3-14 منحني جريان – ولتاژ57
شکل ‏3-15. مدار الکتريکي معادل مورد استفاده در مدل کردن امپدانس سلول هاي خورشيدي61
شکل ‏3-16. نمودار امپدانس61
شکل ‏4-1 .تصوير SEM از نانوذرات تيتانيوم اکسيد شفاف که بر روي FTO لايه نشاني شده است.65
شکل ‏4-2 . تصوير SEM نانو ذرات TiO2 شفاف که با نقاط کوانتومي کادميوم سولفيد / کادميوم سلنايد /روي سولفيد حساس شده?اند.65
شکل ‏4-3 . تصوير SEM از الکترود آند شامل 2 لايه نانوذرات TiO2 و يک لايه نانوذرات با ابعاد 250-400 نانومتري TiO2 که به روش دکتر بليد روي FTO لايه نشاني شدند و نقاط کوانتومي کادميوم سولفيد / کادميوم سلنايد / روي سولفيد که روي سطح اين ذرات جذب شدند.66
شکل ‏4-4 . نمودار طيف عبوري لايه?هاي TiO2 ، TiO2/CdS و TiO2/CdS/CdSe/ZnS که بر روي FTO را نشانده شده اند.67
شکل ‏4-5 . تصوير SEM از لايه ي مس سولفيد که با پوشش 6 دوره سيلار بر روي FTO لايه نشاني شده است.68
شکل ‏4-6 . تصوير SEM از لايه?ي سرب سولفيد که با پوشش 6 دوره سيلار بر روي FTO لايه نشاني شده است.69
شکل ‏4-7 . تصوير SEM از لايه نانوکامپوزيتي CuS/PbS/…/CUS/PbS با 8 دوره لايه نشاني پي در پي به روش سيلار بر روي FTO لايه نشاني شده است.70
شکل ‏4-8 . شماي کلي از 5 نوع کاتد ساخته شده را نشان مي?دهد.72
شکل ‏4-9. منحني جريان – ولتاژ سلول ها با کاتدهاي متفاوت مس سولفيد و سرب سولفيد و نانو کامپوزيت اين کاتدها72
شکل ‏4-10 . منحني جريان – ولتاژ سلول ها با کاتدهاي متفاوت مس سولفيد ، سرب سولفيد و نانوکامپوزيت هاي آن ها در تاريکي74
شکل ‏4-11 . منحني جريان – ولتاژ سلول هاي ساخته شده با کاتدهاي نانو کامپوزيتي مس سولفيد /سرب سولفيد با تعداد سيکل سيلار مختلف75
شکل ‏4-12 . منحني جريان – ولتاژ در تاريکي سلول هاي ساخته شده از کاتدهاي نانو کامپوزيتي مس سولفيد/ سرب سولفيد در تعداد سيکل هاي سيلار مختلف75
شکل ‏4-13 . منحني جريان – ولتاژ (در روشنايي) سلول هاي ساخته شده با افزايش تعداد سيکل هاي سيلار کاتد هاي نانو کامپوزيتي77
شکل ‏4-14 . منحني جريان – ولتاژ (در تاريکي) سلول هاي ساخته شده با افزايش تعداد سيکل هاي سيلار کاتد هاي نانو کامپوزيتي78
شکل ‏4-15 . منحني افت ولتاژ مدار باز با زمان (در روشنايي) سلول هاي ساخته شده با افزايش تعداد سيکل هاي سيلار کاتد هاي نانو کامپوزيتي78
شکل ‏4-16 . نمودار نوعي که در آناليز امپدانس سلول با آن مدل شده است.79
شکل ‏4-17 . منحني جريان – ولتاژ تاريک و بررسي اثر کاتدهاي ترکيبي80
شکل ‏4-18 . منحني جريان-ولتاژ در روشنايي سلول هاي ساخته شده با کاتد گرافن/سرب سولفيد باافزايش تعداد دفعات لايه نشاني چرخشي گرافن82
شکل ‏4-19 . منحني جريان – ولتاژ در روشنايي سلول هاي ساخته شده بر پايه کاتد گرافن و ترکيب گرافن با ديگر نانوکامپوزيت ها85
شکل ‏4-20 . منحني جريان – ولتاژ در تاريکي سلول هاي ساخته شده بر پايه کاتد گرافن و ترکيب گرافن با ديگر نانوکامپوزيت ها86
شکل ‏4-21 . منحني افت ولتاژ مدار باز با زمان در روشنايي سلول هاي ساخته شده بر پايه کاتد گرافن و ترکيب گرافن با ديگر نانوکامپوزيت ها87
شکل ‏4-22 . منحني جريان – ولتاژ (در روشنايي )سلول هاي ساخته شده با کاتد هاي نانو کامپوزيتي و ترکيب اين کاتد ها با گرافن89
شکل ‏4-23 . منحني جريان – ولتاژ (در تاريکي )سلول هاي ساخته شده با کاتد هاي نانو کامپوزيتي و ترکيب اين کاتد ها با گرافن.90
شکل ‏4-24 . منحني افت ولتاژ مدار باز در زمان براي سلول هاي ساخته شده با کاتد هاي نانو کامپوزيتي و ترکيب اين کاتد ها با گرافن91
پيشگفتار
در اين تحقيق به ساخت و مشخصه يابي سلول هاي خورشيدي حساس شده با نقاط کوانتومي پرداخته شده است. براي ساخت آند در اين سلول ها معمولاً از نانو?ذرات تيتانيوم اکسيد(TiO2) استفاده مي شود که بر روي زير لايه?هاي شفاف و رساناي اکسيد قلع آلاييده شده با فلوئور1 پوشش داده مي?شوند. در اين جا جهت حساس?سازي فوتوآند?ها از نقاط کوانتومي کادميوم سولفيد و کادميوم سلنيد استفاده مي?شود. تا به حال کاتد?هاي مختلفي براي اين سلول ها به کار رفته است. در اين پژوهش به بررسي کاتدهاي مس سولفيد و سرب سولفيد و مقايسه?ي آن?ها پرداخته شده است و بعد از آن روشي جديد تحت عنوان روش لايه نشاني دوره?اي براي ساخت نانو کامپوزيت مس سولفيد/سرب سولفيد به عنوان کاتدي مؤثر در سلول?هاي خورشيدي حساس شده با نقاط کوانتومي با بازدهي بالا معرفي شده است. در اين روش کاتدها به روش پوشش پي در پي لايه هاي مس سولفيد و سرب سولفيد بر روي شيشه?هاي FTO با روش جذب و واکنش پي در پي يوني (سيلار )2 ساخته شدند. با استفاده از کاتد نانو کامپوزيتي مس سولفيد/سرب سولفيد بازدهي نسبتاً خوبي براي اين سلول??ها به دست آمد که اين بازدهي قابل قياس با کاتد موثر و بهينه شده مس سولفيد در سلول?هاي خورشيدي حساس شده با نقاط کوانتومي مي?باشد.خواص فوتوولتايي اين سلول?ها مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج بررسي?ها نشان داد که بازدهي اين سلول?ها در مقايسه با کاتد?هاي مس سولفيد و سرب سولفيد به ترتيب بيش از2 و 3 برابر افزايش يافته است. پس از معرفي اين روش به عنوان روشي نوين در ساخت کاتدهاي نانو کامپوزيتي به بهينه کردن اين کاتد?ها و بهينه کردن تعداد سيکل?هاي سيلار مس سولفيد/سرب سولفيد پرداخته شده است. در ادامه به منظور افزايش بازدهي و بهينه کردن عملکرد اين سلول ها صفحات گرافن نيز به عنوان کاتد مورد استفاده قرار گرفت ،صفحات گرافني به علت دارا بودن ساختار دو بعدي داراي سطح موثر بالا هستند. گرافن همچنين داراي رسانايي الکتريکي قابل مقايسه با فلزات مي?باشد. با توجه به سطح موثر مناسب و رسانايي قابل توجه، انتظار مي?رود کاتد?هاي متشکل از صفحات گرافني، خواص کاتاليستي مناسبي در حضور الکتروليت مورد استفاده در سلول هاي خورشيدي حساس شده با نقاط کوانتومي نشان دهند. بنابراين با توجه به مزاياي ذکر شده براي گرافن؛ در اين پژوهش به بررسي خواص فوتوولتائيک اين سلول ها و تحليل کارکرد گرافن به عنوان کاتد در اين سلول?ها پرداخته شده است. همچنين نتايج مناسبي که از کاتد?هاي نانوکامپوزيتي مس سولفيد/سرب سولفيد در اين تحقيق گرفته شده است، منجر به تلفيق اين دو کاتد و ارائه?ي کاتدي ترکيبي از آن?ها شده است؛ که در اين?جا به طور کامل به بررسي و مشخصه يابي خواص فوتوولتايي آن?ها پرداخته شده است.
مقدمه و سلول?هاي خورشيدي حساس شده با رنگدانه
مقدمه
کنترل گرمايش جهاني و جلوگيري از افزايش بيش از حد دماي کره?ي زمين يکي از موضوعات چالش برانگيز قرن بيست و يکم مي?باشد. محدود کردن افزايش دماي کره زمين در حد 2 درجه سانتي گراد به نحوه?ي استفاده از سوخت?هاي فسيلي بستگي دارد، زيرا گاز?هاي ناشي از سوخت?هاي فسيلي به خصوص گاز دي? اکسيد کربن (CO2) مانع از تبادل حرارتي جو زمين با خارج شده و گرما داخل جو محبوس مي?شود به همين دليل اين شرايط به فرآيند توليد گاز?هاي گلخانه?اي شهرت يافته که افزايش آب و هواي زمين را در پي داشته است. بالا رفتن دماي کره زمين باعث بروز تغيير در آب و هوا مي?شود. بخش اعظم انتشار اين گاز?ها ناشي از استفاده?ي بي?رويه??ي منابع انرژي فسيلي از جمله زغال سنگ، نفت و گاز توسط کشورهاي توسعه يافته و صنعتي مي?باشد. اين منابع اوليه?ي انرژي نه تنها باعث تغييرات آب وهوا بلکه سلامت انسان و اکوسيستم را نيز در معرض خطر قرار مي?دهد. از سوي ديگر منابع انرژي جهان محدود هستند و به طور يکنواختي توزيع نشده?اند. همه?ي اين?ها باعث مي?شود بشر به سمت منابع تجديد? پذير انرژي از جمله آب، باد، بيومس 3 و انرژي خورشيدي سوق يابد.
در حالي که منابع انرژي در آينده مي?بايست ترکيبي از اين منابع باشد، انرژي خورشيدي به تنهايي 10000 برابر مصرف روزانه?ي سياره?ي ما را تأمين مي کند. خورشيد معادل 1024×3 ژول انرژي در سال به سياره?ي ما مي?دهد، بنابراين با پوشش دادن تنها % 1/0 از سطح زمين با سلول?هاي خورشيدي با بازدهي % 10 نياز فعلي بشر به انرژي تأمين مي شود، اما استفاده?ي گسترده از اين نوع انرژي نيازمند تکنولوژي برتر و تخمين صرفه اقتصادي مي?باشد.
البته انرژي خورشيدي با محدوديت?هايي نيز رو به رو است از جمله غير پيوسته بودن و پراکندگي اين منبع؛ زيرا حرکت زمين موجب عدم تداوم نور خورشيد در 24 ساعت شبانه روز مي?باشد، همچنين نقاط جغرافيايي مختلف به يک ميزان از اين انرژي بهره نمي?برند مثلاً در کشورهايي مانند فنلاند و سوئد که آفتاب?گير نيستند، اين انرژي غير کاربردي مي?شود. علاوه بر اين ذخيره?سازي و انتقال انرژي خورشيدي در مقياس بزرگ مستلزم سرمايه?گذاري وسيع?تر مي?باشد.
بهره?برداري از اين انرژي نيازمند رسيدن به تکنولوژي و صنعت فوتوولتائيک که توليدکننده?ي انواع سلول?هاي فوتوولتائيک است، مي?باشد. اين سلول?ها تبديل?کننده?ي مستقيم انرژي خورشيدي به انرژي الکتريکي هستند. اين سلول?ها به دليل عدم نياز به اجزاي متحرک؛ هزينه?ي نگهداري پاييني دارند و به همين دليل جهت کاربرد?هاي بلند مدت مورد توجه قرار گرفته?اند.
امروزه صنعت از سلول?هاي نيمه هادي فوتولتائيک در محصولات مصرفي مانند: ساعت?هاي خورشيدي، ماشين حساب?ها، اسباب?بازي?ها و غيره يا مونتاژ شده?ي اين سلول?ها در ماژول?هاي خورشيدي استفاده? مي?کند. سلول?هاي خورشيدي فوتوولتائيک بسته به نوع تکنولوژي به کار برده شده در ساختشان به سه نسل تقسيم مي?شوند:
نسل اول: رايج?ترين سلول?هايي هستند که در مصارف صنعتي و خانگي مورد استفاده قرار مي?گيرند و از ويفر?هاي سيليکوني تک کريستالي و چند کريستالي ساخته مي?شوند که حدود % 85 از سهم بازار را به خود اختصاص داده?اند. خلوص بالاي کريستال هاي سيليکون مورد نياز و همچنين دماي بالا هنگام ساخت و مقادير زياد ماده مورد نياز جهت ساخت اين سلول?ها پارامترهاي تعيين کننده در تخمين هزينه?ي اين سلول?ها هستند. بازده اين سلول?ها به شدت به زاويه?ي تابش نور فرودي وابسته است بنابراين در توليدات تجاري علاوه بر بازده، هزينه نصب و نگهداري پنل?ها هم مهم است و همه?ي عوامل بايد با هم بهينه شوند. هم اکنون شرکت?هاي تجاري در راستاي کاهش هزينه تمام شده به کمتر از 1 دلار به ازاي هر وات و توليد پنل?هاي سبکتر و انعطاف?پذيرتر حرکت مي کنند.
نسل دوم: به علت هزينه?ي ساخت بالا، ويفر?هاي سيليکوني به سرعت با سلول?هاي نسل دوم جايگزين شدند. اين سلول?ها بر اساس تکنولوژي فيلم?هاي لايه نازک مي?باشند که بر پايه?ي سيليکون آمورف، کادميوم تلورايد (CdTe) ،مس اينديم سلنيد(CIS) و مس اينديم گاليم سلنيد(CIGS) ساخته مي?شوند که معمولاً بين يک زير لايه?ي شفاف رسانا و الکترود کاتد پوشش داده مي?شوند. اين سلول?ها % 15 بازار تجاري را شامل مي?شود.
حد ترموديناميکي بازدهي تبديل نور به الکتريسيته براي سلول?هاي فوتوولتائيک با تک پيوند p-n (نسل اول و دوم) تحت تابش استاندارد AM1.5 G برابر % 9/32 مي?باشد. که اين حد ، حد شاکلي کوئيزر 4 ناميده مي?شود که از اين واقعيت سرچشمه مي?گيرد که فوتون?هايي با انرژي کمتر از شکاف انرژي جذب نمي?شوند و فوتون?هايي با انرژي بالاتر از شکاف انرژي، انرژي اضافه (Ephoton-Egap) را به صورت گرما ساطع مي?کنند.
نسل سوم : سلول?هاي خورشيدي نسل سوم با هدف افزايش بازدهي بالاتر از حد شکلي-کوئيزر به موازات پيشرفت?هاي لايه نازک مورد توجه قرار گرفتند. به اين منظور از مفاهيم و رويکردهاي علمي از جمله: سلول?هاي چند پيوندي، مبدل?هاي اپتيکي، توليد چندين حامل بار توسط اثر يونيزاسيون و وارد کردن ناخالصي در ساختار استفاده کردند. بازدهي بالاتر از % 40 براي سلول?هاي چند پيوندي با استفاده از متمرکز کردن نور خورشيد گزارش شده است.
سلول هاي خورشيدي رنگدانه?اي (DSSCs) 5و سلول?هاي خورشيدي حساس شده با نقاط کوانتومي (QDSSCs) 6و همچنين سلول?هاي پليمري جزء سلول?هاي نسل سوم هستند که در ادامه به تفسير آن?ها مي پردازيم.
سلول هاي خورشيدي رنگدانه اي و ساختار کلي آن ها
اين سلول?ها اولين بار در سال1991 توسط گراتزل و همکارانش ساخته شد که از نوع سلول?هاي فتو الکتروشيميايي هستند و شامل فتو?آند، الکتروليت اکسايشي-کاهشي و الکترود کاتد مي?باشد. شکل ‏1-1 طرح?واره?اي از اجزاي يک DSSC، سطوح انرژي، اجزاي مختلف آن و فرآيند?هايي که در اين سلول اتفاق مي افتد را نشان مي?دهد.
شکل ‏1-1 . طرح? واره?اي از (a): يک سلول خورشيدي رنگدانه?اي، (b): دياگرام انرژي در يک DSSC [1-2]
در اين سيستم، لايه?اي متخلخل از ذرات نانومتري وجود دارد که معمولاً از نانوساختار دي اکسيد تيتانيوم (TiO2) استفاده مي?شود اما اکسيد?هاي ديگر با گاف انرژي مشابه مانند ZnO ، SnO2 ،Nb2O5 نيز مورد بررسي قرار گرفته?اند.[3-4-5-6-7]
در اين سلول?ها تک لايه?اي از رنگ روي سطح لايه?ي نانوکريستالي جذب مي شود. بر اثر تابش، مولکول رنگدانه برانگيخته شده و اين برانگيختگي به تزريق يک الکترون به باند هدايت TiO2 و ايجاد حفره?اي در رنگدانه مي?انجامد که به آن فرايند تزريق7 مي?گويند سپس رنگدانه با گرفتن الکترون از الکتروليت احيا شده و به حالت پايه باز مي?گردد (فرآيند احياي رنگدانه8) .الکتروليت که شامل يک جفت اکسايش-کاهش 9 يديد/تري يديد حل شده در يک حلال آلي مي?باشد با ورود الکترون از الکترود مقابل احيا شده و مدار الکتريکي با انتقال الکترون در مدار خارجي کامل مي شود.
احياي رنگ( حساس کننده) توسط الکتروليت، مانع گير افتادن دوباره?ي الکترون تزريقي به TiO2 توسط رنگ اکسيد شده مي?شود. ولتاژ توليد شده در اين سلول متناسب با اختلاف سطح فرمي الکترون نيمه هادي و پتانسيل اکسايش-کاهش الکتروليت است. شکل ‏1-1سطوح انرژي اجزاي مختلف يک سلول خورشيدي رنگدانه?اي را نشان مي?دهد. در ادامه اجزاي اين سلول?ها به تفضيل شرح داده مي?شود:
1-2-1-فتوآند
جهت ساخت فتو?آند در اين سلول?ها از نيمه?رسانا?ها استفاده مي?شود. نيمه?رسانا?ها معمولاً در معرض الکتروليت و تابش نور پايداري خوبي دارند ولي بيش تر نيمه رسانا?ها به علت گاف انرژي نسبتاً زيادي که دارند، نمي?توانند نور مرئي را به اندازه کافي جذب کنند بنابراين نيمه رسانا?هايي مانند نانو ساختار?هاي تيتانيوم اکسيد (TiO2) و اکسيد روي (ZnO) با پوششي از رنگدانه?هاي آلي که مي?توانند بخشي از نور مرئي خورشيد را جذب کنند در اين سلول?ها به کار مي?رود. رنگدانه?ها در واقع نوعي مولکول?هاي آلي حساس به نور هستند. ويژگي خاص مولکول?هاي اين نوع رنگدانه وجود ترازهاي 10HOMO و LUMO 11در آن?هاست که امکان آزاد شدن الکترون و انتقال آن به TiO2 را ممکن مي سازد .
مؤثرترين و متداول?ترين رنگدانه?هايي که در اين نوع سلول?ها به کار مي روند و توسط گروه گراتزل ساخته شده اند، کمپلکس?هاي روتنيوم و اسميوم مي?باشند که از طريق گروه کربوکسيلي فسفاتي و هيدروکسيلي به سطح TiO2 متصل مي شوند. در بين رنگدانه هاي مختلف ، مهم ترين نوع تجاري آن ها N719 ، Z907 ، N3 هستند.
نيمه رسانا?هاي TiO2 و ZnO بر روي زير لايه?هاي شفاف و رسانا مانند قلع اکسيد آلاييده شده با فلوئور12 (FTO) يا اينديوم پوشش داده مي?شوند. اين زير لايه ها پوشش نازکي از اکسيد رساناي شفاف13 (TCO) لايه نشاني شده روي شيشه است ويژگي هاي ديگر اين زير لايه مقاومت سطحي پايين و عدم تغيير حالت در دما?هاي حدود 500 درجه سانتي گراد مي?باشد. براي افزايش ميزان نور جمع آوري شده14 (LHE) پژوهشگران از الکترود?هاي TiO2 مزوپروس استفاده مي?کنند که علاوه بر افزايش جذب رنگدانه، موجب نفوذ آسان?تر الکتروليت به داخل ساختار مزوپروس مي شود.
معمولاً اين لايه?ي مزوپروس TiO2با فاز بلوري آناتاز بوده که از ساختار هاي متداولي چون نانو لوله ، نانو ميله، نانو ذره ، نانوفيبر دي اکسيد تيتانيوم براي اين لايه در ابعاد 400-20 نانو?متر استفاده مي شود. اين لايه نيمه هادي داراي تخلخلي از مرتبه 60-70 در صد است. فاکتور زبري (نسبت سطح واقعي به ظاهري) براي لايه اي به ضخامت mµ10 حدود 1000 است و به اين معناست که cm2 1 از لايه TiO2 با ضخامتm µ10 داراي سطح واقعي cm2 1000 مي باشد که منجر به جذب سطحي مقدار زيادي رنگدانه شده ( مقدار رنگدانه جذب شده از مرتبµmol/cm2 1/0) که افزايش ميزان جمع کردن باريکه ي نور تابشي در فتو الکترود حساس شده به رنگدانه (LHE) را در پي دارد همچنين با افزايش پراکندگي نور در لايه TiO2 ، طول مسير نور تابشي و در نتيجه ميزان جذب نور توسط رنگدانه?ها افزايش مي?يابد. اين خاصيت درلايه TiO2 را مي توان با اضافه کردن ذرات بزرگتر TiO2 به ذرات کوچکتر که در حد 20 نانو?متر هستند در هنگام ساخت و تهيه لايه ايجاد کرد. اما ذرات بزرگ تر سطح مؤثر کمتري دارند و در نتيجه تعداد رنگدانه?هايي که مي?توانند جذب آن?ها شوند کاهش مي?يابد. شبيه سازي الکترود TiO2 در اين سلول هاي پيش بيني مي کند ترکيب مناسب ذرات کوچک 20 نانومتري و بزرگ 250-300 نانومتري از TiO2 که مراکز اصلي پراکندگي در لايه را ايجاد مي کنند باعث بهبود چشمگيري در عملکرد سلول مي شود در واقع از يک لايه پراکننده15 که ابعاد ذرات آن حدود 400 نانومتر است استفاده مي شود در اين لايه?ي پراکننده انعکاس چند باره نور در ناحيه کم انرژي (nm 900-650 ) آن باعث افزايش جذب نور مي شود و در نتيجه پاسخ به نور تابشي را بهبود مي بخشد که اثر آن را مي توان در طيف جذب مشاهده کرد.
1-2-2-الکتروليت اکسايشي – کاهشي
الکتروليت محلولي شامل يون هاي آزاد است ومانند محيط رسانا عمل مي کند . الکتروليت مورد استفاده در اين نوع سلول ها شامل يون هاي اکسايشي – کاهشي I-/I3- است واين ها دايماً درون ساختار الکتروليت با آزاد کردن و گرفتن الکترون مطابق با معادله?ي ( ‏1-1 ) به هم تبديل مي شوند تا الکترون ها به کمک آن ها بتوانند بين فتوآند و کاتد جابه‌جا شوند.
( ‏1-1 )3I- I3- + 2e-همچنين ترکيبي از يدايد مانند يديد ليتيم ،يديد سديم ، يديد پتاسيم با غلظت 1/0 تا 5/0 مولار از I2 که در محلول غير-پروتوني مانند استونيتريل حل شده است، بکار رفته است. مقدار کاتيون هاي يدايد مانند Li+، Na+ و K+ هدايت الکتروليت را تحت تأثير قرار مي دهند و ميزان جذب يون هاي مختلف روي سطح TiO2 تغيير مي کند و منجربه جابه جايي تراز رسانش TiO2 مي شود. اين عوامل در کارکرد سلول خورشيدي تأثيرگذار است . ويسکوزيته محلول اثر مستقيمي در رسانش يوني الکتروليت دارد، هر چقدر گرانروي پايين تر باشد بهتر است و در کارکرد سلول تأثير به سزايي دارد. از ميان حلال?ها نيتريل?ها هستند که گرانروي پاييني داشته و هدايت يوني بالايي را فراهم مي کنند.
1-2-3-الکترود کاتد
اين الکترود بايد داراي خاصيت الکتروکاتاليستي بالايي باشد و بتواند يون هاي اکسيد شده I3- را به I- و بالعکس تبديل کند. در نتيجه چون اين الکترودها نقش کاهشي يون هاي اکسيد شده را دارد بايد کاهش با نرخ مناسبي بر سطح اين الکترود صورت بگيرد بدين ترتيب بهترين الکترود ،پوششي از پلاتين بر روي FTO است با ضخامتي در حدود 200 نانومتر مي?باشد.
1-2-4-مکانيسم انتقال بار در سلول?هاي حساس شده با رنگدانه
ابتدا فوتون توسط مولکول رنگدانه جذب و يک الکترون را از حالت پايه رنگ S0 به حالت برانگيخته يعني S* مي?برد. (جذب نور)
) ‏1-2 )S+h? S^* الکترون برانگيخته شده به باند هدايت TiO2 تزريق مي?شود و مولکول رنگ به حالت اکسيد شده در مي?آيد(S+). (تزريق الکترون)
( ‏1-3 )S^* S^++e^- (TiO_2) الکترون برانگيخته به داخل ساختار نانوکريستال TiO2 نفوذ مي?کند و از طريق لايه اکسيد نيمه?هادي به زير لايه?ي رسانا منتقل مي?شود و سرانجام از طريق مدار خارجي به الکترود مقابل انتقال مي?يابد.
الکترود مقابل الکترون را به الکتروليت انتقال مي?دهد و تري يديد موجود در الکتروليت تبديل به يديد شده و با کاهش رنگ اکسايش يافته توسط الکتروليت رنگ بار ديگر احيا شده و سيکل به پايان مي?رسد.
( ‏1-4 )I_3^-+2e^- (pt) 3I^- ( ‏1-5 )2S^++3I^- 2S+ I_3^-1-2-5- فرآيند ??هاي تزريق، انتقال و بازترکيب در سلول?هاي رنگدانه?اي
طرح ?واره اي از فرايندهاي انتقال و بازتركيب در سلول?هاي خورشيدي رنگدانه اي در شکل ‏1-2 نشان داده شده است. اين تصوير علاوه بر فرايند?هاي تزريق، انتقال بار ، فرايند?هاي اتلاف را نيز نشان مي?دهد. اين اتلاف?ها شامل بازگشت رنگدانه از حالت برانگيخته به حالت پايه و بازترکيب الکترون?هاي تزريق شده با مولکول?هاي اکسيد شده رنگ و يا جفت ريداکس در الکتروليت مي?شود. هر مرحله?ي انتقال بار، جدايي فضايي بين الکترون?ها و حفره?ها را افزايش داده و طول عمر حالت جدايي بار را افزايش مي?دهد.
شکل ‏1-2 . طرح ?واره اي از فرايندهاي انتقال و بازتركيب در سلول?هاي خورشيدي رنگدانه اي
به منظور تزريق مؤثر، آهنگ تزريق الکترون بايد بر آهنگ بازگشت رنگ به حالت پايه غلبه کند. آهنگ نوعي بازگشت رنگدانه از حالت برانگيخته به حالت پايه از مرتبه?ي 10-7-10-12s است، در سيستم?هاي شامل لايه اکسيد فلزي حساس شده به رنگدانه، آهنگ تزريق براي محدوده?اي از رنگ?هاي حساس کننده بيش?تر از 10-12s گزارش شده است [8-9]. به هر حال تزريق سريع الکترون نياز به جفت شدگي الکترونيکي قوي اوربيتال LUMO رنگ به باند هدايت اکسيد نيمه?هادي و تفاوت کافي انرژي آزاد براي پيش بردن اين واکنش، دارد.
براي احياي مؤثر رنگدانه توسط الکتروليت آهنگ اين فرايند بايد بر آهنگ بازترکيب الکترون?هاي تزريق شده با مولکول?هاي اکسيد شده رنگدانه غلبه کند که اين فرايند بازترکيب، شديداً به چگالي الکترون در نوار هدايت TiO2 و بنابراين شدت نور و ولتاژ سلول بستگي دارد. واکنش احياء به غلظت يديد و ويسکوزيته الکتروليت و ساختار رنگ نيز بستگي دارد. براي مولکول رنگدانه N719 و الکتروليتي با ويسکوزيته کم مانند استونيتريل16 واکنش احياء نيمه عمري برابر با µs1 دارد [7].
در فرايند ترابرد الکترون در ساختار متخلخل TiO2 ،براي جمع آوري کافي بار توسط مدار خارجي، ثابت زماني انتقال الکترون درون TiO2 بايد سريع?تر از بازترکيب الکترون?هاي تزريق شده با جفت ريداکس باشد. انتقال الکترون فرايندي نفوذي است که شديداً تحت تأثير به تله افتادن الکترون?ها در تراز?هاي زير گاف انرژي (تله?ها) است. در نتيجه اين مکانيزم بستگي به سطح فرمي الکترون دارد. زمان انتقال الکترون تحت تابش خورشيد از مرتبه?ي ميلي ثانيه است [10-11].
نتيجه?گيري
سلول هاي خورشيدي رنگدانه اي ، نسل سوم از سلول هاي خورشيدي هستند که بر پايه ي جذب نور توسط مولکول هاي رنگدانه عمل مي کنند وجدايي الکترون- حفره بر روي سطح يک نيمرسانا با گاف انرژي پهن که توسط رنگدانه حساس شده است ، اتفاق مي افتد . اين سلول ها از دو الکترود کاتد و آند که فضاي بين آن ها با الکتروليت اکسايشي – کاهشي يديد پر شده است، تشکيل شده?اند. الکترود آند معمولاً از جنس نانو ذرات تيتانيوم دي اکسيد و الکترود کاتد پلاتين است که بر روي شيشه هاي نيمرسانا شفاف (FTO) نشانده مي شوند . يک لايه رنگ به روش شيميايي روي سطح فوتو آند جذب سطحي مي شود ، و به عنوان جاذب نور در اين سلول ها به کار مي?رود. فوتوالکترون توليد شده ناشي از جذب نور توسط رنگدانه به تراز رسانش تيتانيوم دي اکسيد منتقل شده و سپس وارد مدار خارجي مي شود. رنگدانه با گرفتن الکترون از الکتروليت به حالت پايه باز مي گردد. سر انجام با انتقال الکترون از مدار خارجي به الکتروليت، الکتروليت احيا شده و اين چرخه برخورد نور دوباره تکرار مي شود.
از سال 1991 که اولين نمونه توسط گرتزل معرفي شد، سلول?هاي رنگدانه?اي به علت مزايايي از قبيل قيمت پايين ، ساخت ساده و سازگاري با محيط زيست مورد استقبال فراوان قرار گرفت . امروزه بازده اين سلول?ها در مقياس آزمايشگاهي به بالاتر از %13 رسيده?است و پيش?بيني مي?شود در آينده?اي نزديک در مقياس تجاري نيمه تجاري مورد استفاده قرار گيرند.
سلول??هاي خورشيدي حساس شده با نقاط کوانتومي و مروري بر پيشينه تحقيقات
مقدمه
همان?طور که در فصل قبل اشاره شد حد ترموديناميکي براي بازدهي تبديل نور براي سلول?هاي تک پيوندي مانند سلول?هاي خورشيدي لايه نازک و ويفرهاي سيليکوني، تحت تابش خورشيد برابر 9/32% مي?باشد. تلاش?ها براي غلبه بر اين بازدهي منجر به وارد شدن نسل سوم از سلول?هاي خورشيدي يعني سلول?هاي فوتوالکتروشيميايي (PESC)17 شد، که اين سلول?ها شامل DSSCs و QDSSCs مي?باشند که هر دو دسته بازدهي بالا و کاهش هزينه ساخت را دنبال مي?کنند. در QDSSCs نقاط کوانتومي18 به عنوان حساس?کننده و جاذب نور جايگزين رنگدانه مي?شوند. نقاط کوانتومي به عنوان حساس کننده?ها با توجه به خواص منحصر به فردشان از جمله ضريب جذب قابل توجهشان ، قابليت تنظيم طيف جذب به وسيله?ي محدوديت کوانتومي اندازه، امکان تزريق الکترون داغ 19 و توليد چندين جفت الکترون-حفره (MEG)20 دريچه?اي از فرصت?ها را در اين زمينه باز کرده?اند. در اين فصل ابتدا به بيان مفهوم نقاط کوانتومي و سپس معرفي سلول?هاي خورشيدي حساس?شده با نقاط کوانتومي و عوامل کاهش بازدهي سلول?هاي تک پيوندي و نحوه?ي رويکردهاي متفاوت ويژگي هاي نقاط کوانتومي در طراحي و ساخت اين سلول?ها به منظور رسيدن به بازدهي بالاتر مي پردازيم.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

مفهوم نقاط کوانتومي
نقاط کوانتومي نانوبلورهاي نيمرسانا صفربعدي هستند که قطر فيزيکي آنها کمتر از شعاع بوهراکسايتون21 است. به اين دسته از مواد که اندازه اي کمتر از 100 نانومتر دارند و داراي خواص الکتروني متفاوت از حالت توده?اي هستند، نانومواد مي گويند . اگر در اين مواد تنها در يک بعد به مقياس نانوکاهش يابد در حاليکه دو بعد ديگرهمچنان بزرگ باقي بماند، به ساختاري مي?رسيم که به چاه کوانتومي معروف است . اگر دو بعد به مقياس نانو کاهش يابد و بعد ديگر همچنان بزرگ باقي بماند، ساختار حاصل سيم کوانتومي است . درانتهاي فرآيند کوچک کردن اندازه که هر سه بعد به مقياس زير نانومتر مي رسد، نقطه?ي کوانتومي حاصل مي?شود و به عبارت ديگر ميتوان نقاط کوانتومي را نانوساختارهاي صفربعدي ناميد. در نيمه?هادي?هاي توده?اي سطوح انرژي نوار رسانش و نوار ظرفيت پيوسته است و الکترون?ها وحفره?ها در اين نوارهاي انرژي حرکت مي?کنند.
شکل ‏2-1 . نمودار شماتيک گاف انرژي نانو ذره که بين حالت مولکولي و ماده توده نيمرسانا است.
محدوديت کوانتومي براي ذرات نيمه?هادي هنگامي رخ مي?دهد که شعاع نانوکريستال قابل مقايسه با شعاع بوهر اکسايتون شود. در نانو کريستال CdSe شعاع بوهر در حدود 4/5 نانومتر است.


دیدگاهتان را بنویسید