نانوکامپوزیتی مس سولفید/سرب سولفید/…/مس سولفید/سرب سولفید 2 برابر شده است یعنی 49/0 در مقابل 26/0. به علاوه با بررسی خواص فوتوولتائیک سلولهای خورشیدی به تحلیل کارکرد کاتد گرافن در این سلولها میپردازیم. در این تحقیق از صفحات گرافنی به دلیل دارا بودن ساختار دو بعدی و سطح مؤثر بالا و همچنین رسانایی الکتریکی مناسب و ترکیب آن با مس سولفید/سرب سولفید به منظور افزایش خواص فوتوولتائیک و بازدهی سلولها استفاده شده است. در این جا گرافن به دلیل سطح مؤثر زیادی که فراهم میکند در کاتدهای ترکیبی به عنوان بستری مناسب برای لایهنشانی مس سولفید و سرب سولفید بر روی آن به کار گرفته شده است و بازدهی را از 54/2 % تا 21/3 % افزایش داده است.
کلید واژه: سلول خورشیدی، نقاط کوانتومی، نانو کامپوزیت ، سیلار ، گرافن
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فهرست جدول‌ها د
فهرست شکل‌‌ها ه
پیشگفتار.. 1
فصل 1- مقدمه و سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگدانه. 3
1-1- مقدمه.. ………………………..3
1-2- سلول های خورشیدی رنگدانه ای و ساختار کلی آن ها 5
1-2-1-فتوآند……. 6
1-2-2-الکترولیت اکسایشی – کاهشی.. 7
1-2-3-الکترود کاتد. 8
1-2-4-مکانیسم انتقال بار در سلولهای حساس شده با رنگدانه. 8
1-2-5- فرآیند های تزریق، انتقال و بازترکیب در سلولهای رنگدانهای.. 9
1-3- نتیجهگیری.. 10
فصل 2- سلولهای خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی و مروری بر پیشینه تحقیقات……….. 12
2-1- مقدمه.. 12
2-2- مفهوم نقاط کوانتومی.. 12
2-3- عوامل کاهش بازده در سلولهی خورشیدی تک پیوند. 13
2-4- رویکردهای متفاوت با بهره گرفتن از ویژگیهای نقاط کوانتومی در طراحیQDSSCs 13
2-4-1-تنظیم گاف انرژی در نقاط کوانتومی.. 14
2-4-2-اثر حاملهای داغ. 15
2-4-3-تولید چندین جفت الکترون-حفره (اکسایتون) 17
2-4-4-سلولهای خورشیدی با نوار میانی.. 18
2-5- سلولهای خورشیدی بر پایهی نقاط کوانتومی (QDSSCs) 19
2-5-1-ساختار و اصول عملکرد سلول های خورشیدی بر پایهی نقاط کوانتومی.. 20
2-5-2-اجزای مختلف سلول خورشیدی بر پایه نقاط کوانتومی.. 21
2-5-2-1-الکترود آند…………………………. 21
2-5-2-2-نقاط کوانتومی به عنوان حساس کننده و جاذب نور 22
2-5-2-3-الکترولیت اکسایشی کاهشی پلی سولفید. 24
2-5-2-4-الکترود مقابل…………………….. 25
2-5-3-برهمکنشهای انتقال و عبور الکترون-حفره در سلول های خورشیدی بر پایه نقاط کوانتومی.. 26
2-6- مقایسهی سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگدانه و نقاط کوانتومی.. 28
2-6-1-تفاوتهای ساختاری و زمان انتقال بار در DSSCs و SSSCs. 29
2-7- مروری بر نقاط کوانتومی به کار برده شده در QDSSCs به عنوان حساس کننده 34
2-8- مروری بر کاتدهای به کار برده شده در QDSSCs 37
2-9- نتیجهگیری.. 38
فصل 3- ساخت و روش های مشخصه یابی سلول های حساس شده با نقاط کوانتومی.. 41
3-1- مقدمه.. 41
3-2- مواد و تجهیزات مورد نیاز 41
3-2-1-مواد اولیه 41
3-2-2-تجهیزات مورد استفاده در فرایند ساخت… 42
3-3- ساختارکلی سلول های حساس شده با نقاط کوانتومی.. 43
3-3-1-آماده سازی فوتوآند. 44
3-3-1-1- شستشوی زیرلایه…….. 44
3-3-1-2-لایه نشانی خمیر نانوذرهای TiO2 به روش دکتر بلید. 45
3-3-1-3-پخت حرارتی در کوره……….. 47
3-3-1-4-حساسسازی فوتوآند با نقاط کوانتومی کادمیوم سولفید به روش سیلار (SILAR) 47
3-3-1-5-ساخت نقاط کوانتومی CdSe و حساسسازی آند به روش حمام شیمیایی(CBD) 49
3-3-2-آمادهسازی الکترود کاتد. 52
3-3-2-1-ساخت کاتد نوع اول از جنسCuS. 53
3-3-2-2-ساخت کاتد نوع دوم از جنس PbS. 53
3-3-2-3-ساخت کاتد نوع سوم از جنس مس سولفید/ سرب سولفید و سرب سولفید/مس سولفید. 54
3-3-2-4-ساخت کاتد با لایه نشانی پی در پی CuS/PbS… به روش سیلار 54
3-3-3-ساخت الکترولیت پلی سولفید برای سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط 
کوانتومی.. 55
3-3-4- بستن سلول های QDSSCs. 55
3-4- روش های مشخصه یابی فوتوولتایی سلول های خورشیدی نقطه کوانتومی.. 57
3-4-1-اندازه گیری منحنی های ولتاژ – جریان.. 57
3-4-1-1-اندازه گیری منحنی های ولتاژ-جریان در روشنایی.. 57
3-4-1-2-اندازه گیری بازدهی تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی و فاکتور کارکرد سلول.. 57
3-4-1-3-اندازه گیری منحنی های ولتاژ-جریان در تاریکی.. 58
3-4-2-اندازه گیری افت ولتاژ سلول با زمان.. 58
3-4-3-طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) 60
فصل 4- تحلیل و نتایج مشخصه یابی سلول های ساخته شده. 64
4-1-مقدمه. 64
4-2- آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نانو ذرات تیتانیوم اکسید. 64
4-3-طیف جذب و عبور آند ها 67
4-4- مشخصه یابی کاتد ها به روش SEM… 68
4-5- مشخصات فوتوولتایی سلول های ساخته شده بر پایه کاتدهای مختلف… 71
4-6- بررسی اثر افزایش تعداد سیکل های سیلار در ساخت کاتد های نانو کامپوزیتی.. 76
4-7-آنالیز امپدانس الکتروشیمیایی.. 79
4-7- بررسی گرافن به عنوان کاتد در QDSSCs 81
4-7-1-ساخت کاتد با پوشش گرافن و کامپوزیت آن با سرب سولفید. 81
4-7-2-بررسی مشخصه های فوتوولتایی سلول ها با کاتد گرافن / سرب سولفید. 82
4-7-3-ساختار ترکیبی گرافن با دیگر ساختار های نانو کامپوزیتی به عنوان کاتد. 83
4-8-مقایسه ی کاتد های نانوکامپوزیتی با کاتد های ترکیبی باگرافن.. 87
فصل 5- نتیجهگیری و پیشنهادات… 93
5-1- جمع بندی و نتیجهگیری.. 93
5-2- پیشنهادات… 94
مقالات ارائه شده. 95
فهرست مراجع.. 96
پیشگفتار
در این تحقیق به ساخت و مشخصه یابی سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی پرداخته شده است. برای ساخت آند در این سلول ها معمولاً از نانوذرات تیتانیوم اکسید(TiO2) استفاده می شود که بر روی زیر لایه های شفاف و رسانای اکسید قلع آلاییده شده با فلوئور پوشش داده میشوند. در این جا جهت حساسسازی فوتوآندها از نقاط کوانتومی کادمیوم سولفید و کادمیوم سلنید استفاده میشود. تا به حال کاتدهای مختلفی برای این سلول ها به کار رفته است. در این پژوهش به بررسی کاتدهای مس سولفید و سرب سولفید و مقایسهی آنها پرداخته شده است و بعد از آن روشی جدید تحت عنوان روش لایه نشانی دورهای برای ساخت نانو کامپوزیت مس سولفید/سرب سولفید به عنوان کاتدی مؤثر در سلولهای خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی با بازدهی بالا معرفی شده است. در این روش کاتدها به روش پوشش پی در پی لایه های مس سولفید و سرب سولفید بر روی شیشههای FTO با روش جذب و واکنش پی در پی یونی (سیلار ) ساخته شدند. با بهره گرفتن از کاتد نانو کامپوزیتی مس سولفید/سرب سولفید بازدهی نسبتاً خوبی برای این سلولها به دست آمد که این بازدهی قابل قیاس با کاتد موثر و بهینه شده مس سولفید در سلولهای خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی میباشد.خواص فوتوولتایی این سلولها مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بررسیها نشان داد که بازدهی این سلولها در مقایسه با کاتدهای مس سولفید و سرب سولفید به ترتیب بیش از2 و 3 برابر افزایش یافته است. پس از معرفی این روش به عنوان روشی نوین در ساخت کاتدهای نانو کامپوزیتی به بهینه کردن این کاتدها و بهینه کردن تعداد سیکلهای سیلار مس سولفید/سرب سولفید پرداخته شده است. در ادامه به منظور افزایش بازدهی و بهینه کردن عملکرد این سلول ها صفحات گرافن نیز به عنوان کاتد مورد استفاده قرار گرفت ،صفحات گرافنی به علت دارا بودن ساختار دو بعدی دارای سطح موثر بالا هستند. گرافن همچنین دارای رسانایی الکتریکی قابل مقایسه با فلزات میباشد. با توجه به سطح موثر مناسب و رسانایی قابل توجه، انتظار میرود کاتدهای متشکل از صفحات گرافنی، خواص کاتالیستی مناسبی در حضور الکترولیت مورد استفاده در سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی نشان دهند. بنابراین با توجه به مزایای ذکر شده برای گرافن؛ در این پژوهش به بررسی خواص فوتوولتائیک این سلول ها و تحلیل کارکرد گرافن به عنوان کاتد در این سلولها پرداخته شده است. همچنین نتایج مناسبی که از کاتدهای نانوکامپوزیتی مس سولفید/سرب سولفید در این تحقیق گرفته شده است، منجر به تلفیق این دو کاتد و ارائهی کاتدی ترکیبی از آنها شده است؛ که در اینجا به طور کامل به بررسی و مشخصه یابی خواص فوتوولتایی آنها پرداخته شده است.
مقدمه و سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگدانه
مقدمه
کنترل گرمایش جهانی و جلوگیری از افزایش بیش از حد دمای کرهی زمین یکی از موضوعات چالش برانگیز قرن بیست و یکم میباشد. محدود کردن افزایش دمای کره زمین در حد 2 درجه سانتی گراد به نحوهی استفاده از سوختهای فسیلی بستگی دارد، زیرا گازهای ناشی از سوختهای فسیلی به خصوص گاز دی اکسید کربن (CO2) مانع از تبادل حرارتی جو زمین با خارج شده و گرما داخل جو محبوس میشود به همین دلیل این شرایط به فرآیند تولید گازهای گلخانهای شهرت یافته که افزایش آب و هوای زمین را در پی داشته است. بالا رفتن دمای کره زمین باعث بروز تغییر در آب و هوا میشود. بخش اعظم انتشار این گازها ناشی از استفادهی بیرویهی منابع انرژی فسیلی از جمله زغال سنگ، نفت و گاز توسط کشورهای توسعه یافته و صنعتی میباشد. این منابع اولیهی انرژی نه تنها باعث تغییرات آب وهوا بلکه سلامت انسان و اکوسیستم را نیز در معرض خطر قرار میدهد. از سوی دیگر منابع انرژی جهان محدود هستند و به طور یکنواختی توزیع نشدهاند. همهی اینها باعث میشود بشر به سمت منابع تجدید پذیر انرژی از جمله آب، باد، بیومس و انرژی خورشیدی سوق یابد.
در حالی که منابع انرژی در آینده میبایست ترکیبی از این منابع باشد، انرژی خورشیدی به تنهایی 10000 برابر مصرف روزانهی سیارهی ما را تأمین می کند. خورشید معادل 1024×3 ژول انرژی در سال به سیارهی ما میدهد، بنابراین با پوشش دادن تنها % 1/0 از سطح زمین با سلولهای خورشیدی با بازدهی % 10 نیاز فعلی بشر به انرژی تأمین می شود، اما استفادهی گسترده از این نوع انرژی نیازمند تکنولوژی برتر و تخمین صرفه اقتصادی میباشد.
البته انرژی خورشیدی با محدودیتهایی نیز رو به رو است از جمله غیر پیوسته بودن و پراکندگی این منبع؛ زیرا حرکت زمین موجب عدم تداوم نور خورشید در 24 ساعت شبانه روز میباشد، همچنین نقاط جغرافیایی مختلف به یک میزان از این انرژی بهره نمیبرند مثلاً در کشورهایی مانند فنلاند و سوئد که آفتابگیر نیستند، این انرژی غیر کاربردی میشود. علاوه بر این ذخیرهسازی و انتقال انرژی خورشیدی در مقیاس بزرگ مستلزم سرمایهگذاری وسیعتر میباشد.
بهره برداری از این انرژی نیازمند رسیدن به تکنولوژی و صنعت فوتوولتائیک که تولیدکنندهی انواع سلولهای فوتوولتائیک است، میباشد. این سلولها تبدیلکنندهی مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی هستند. این سلولها به دلیل عدم نیاز به اجزای متحرک؛ هزینه نگهداری پایینی دارند و به همین دلیل جهت کاربردهای بلند مدت مورد توجه قرار گرفتهاند.
امروزه صنعت از سلولهای نیمه هادی فوتولتائیک در محصولات مصرفی مانند: ساعتهای خورشیدی، ماشین حسابها، اسباببازیها و غیره یا مونتاژ شدهی این سلولها در ماژولهای خورشیدی استفاده میکند. سلولهای خورشیدی فوتوولتائیک بسته به نوع تکنولوژی به کار برده شده در ساختشان به سه نسل تقسیم میشوند:
نسل اول: رایجترین سلولهایی هستند که در مصارف صنعتی و خانگی مورد استفاده قرار میگیرند و از ویفرهای سیلیکونی تک کریستالی و چند کریستالی ساخته میشوند که حدود % 85 از سهم بازار را به خود اختصاص دادهاند. خلوص بالای کریستال های سیلیکون مورد نیاز و همچنین دمای بالا هنگام ساخت و مقادیر زیاد ماده مورد نیاز جهت ساخت این سلولها پارامترهای تعیین کننده در تخمین هزینه این سلولها هستند. بازده این سلولها به شدت به زاویهی تابش نور فرودی وابسته است بنابراین در تولیدات تجاری علاوه بر بازده، هزینه نصب و نگهداری پنلها هم مهم است و همهی عوامل باید با هم بهینه شوند. هم اکنون شرکتهای تجاری در راستای کاهش هزینه تمام شده به کمتر از 1 دلار به ازای هر وات و تولید پنلهای سبکتر و انعطافپذیرتر حرکت می کنند.
نسل دوم: به علت هزینه ساخت بالا، ویفرهای سیلیکونی به سرعت با سلولهای نسل دوم جایگزین شدند. این سلولها بر اساس تکنولوژی فیلمهای لایه نازک میباشند که بر پایهی سیلیکون آمورف، کادمیوم تلوراید (CdTe) ،مس ایندیم سلنید(CIS) و مس ایندیم گالیم سلنید(CIGS) ساخته میشوند که معمولاً بین یک زیر لایهی شفاف رسانا و الکترود کاتد پوشش داده میشوند. این سلولها % 15 بازار تجاری را شامل میشود.
حد ترمودینامیکی بازدهی تبدیل نور به الکتریسیته برای سلولهای فوتوولتائیک با تک پیوند p-n (نسل اول و دوم) تحت تابش استاندارد AM1.5 G برابر % 9/32 میباشد. که این حد ، حد شاکلی کوئیزر نامیده میشود که از این واقعیت سرچشمه میگیرد که فوتونهایی با انرژی کمتر از شکاف انرژی جذب نمیشوند و فوتونهایی با انرژی بالاتر از شکاف انرژی، انرژی اضافه (Ephoton-Egap) را به صورت گرما ساطع میکنند.
نسل سوم : سلولهای خورشیدی نسل سوم با هدف افزایش بازدهی بالاتر از حد شکلی-کوئیزر به موازات پیشرفتهای لایه نازک مورد توجه قرار گرفتند. به این منظور از مفاهیم و رویکردهای علمی از جمله: سلولهای چند پیوندی، مبدلهای اپتیکی، تولید چندین حامل بار توسط اثر یونیزاسیون و وارد کردن ناخالصی در ساختار استفاده کردند. بازدهی بالاتر از % 40 برای سلولهای چند پیوندی با بهره گرفتن از متمرکز کردن نور خورشید گزارش شده است.
سلول های خورشیدی رنگدانهای (DSSCs) و سلولهای خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی (QDSSCs) و همچنین سلولهای پلیمری جزء سلولهای نسل سوم هستند که در ادامه به تفسیر آنها می پردازیم.
سلول های خورشیدی رنگدانه ای و ساختار کلی آن ها
این سلولها اولین بار در سال1991 توسط گراتزل و همکارانش ساخته شد که از نوع سلولهای فتو الکتروشیمیایی هستند و شامل فتوآند، الکترولیت اکسایشی–کاهشی و الکترود کاتد میباشد. شکل 1 1 طرحوارهای از اجزای یک DSSC، سطوح انرژی، اجزای مختلف آن و فرآیندهایی که در این سلول اتفاق می افتد را نشان میدهد.
شکل 1 1 . طرح وارهای از (a): یک سلول خورشیدی رنگدانهای، (b): دیاگرام انرژی در یک DSSC [ – ]
در این سیستم، لایهای متخلخل از ذرات نانومتری وجود دارد که معمولاً از نانوساختار دی اکسید تیتانیوم (TiO2) استفاده میشود اما اکسیدهای دیگر با گاف انرژی مشابه مانند ZnO ، SnO2 ،Nb2O5 نیز مورد بررسی قرار گرفتهاند.[ – – – – ]
در این سلولها تک لایهای از رنگ روی سطح لایهی نانوکریستالی جذب می شود. بر اثر تابش، مولکول رنگدانه برانگیخته شده و این برانگیختگی به تزریق یک الکترون به باند هدایت TiO2 و ایجاد حفرهای در رنگدانه میانجامد که به آن فرایند تزریق میگویند سپس رنگدانه با گرفتن الکترون از الکترولیت احیا شده و به حالت پایه باز میگردد (فرآیند احیای رنگدانه ) .الکترولیت که شامل یک جفت اکسایش-کاهش یدید/تری یدید حل شده در یک حلال آلی میباشد با ورود الکترون از الکترود مقابل احیا شده و مدار الکتریکی با انتقال الکترون در مدار خارجی کامل می شود.
احیای رنگ( حساس کننده) توسط الکترولیت، مانع گیر افتادن دوبارهی الکترون تزریقی به TiO2 توسط رنگ اکسید شده میشود. ولتاژ تولید شده در این سلول متناسب با اختلاف سطح فرمی الکترون نیمه هادی و پتانسیل اکسایش-کاهش الکترولیت است. شکل 1 1سطوح انرژی اجزای مختلف یک سلول خورشیدی رنگدانهای را نشان میدهد. در ادامه اجزای این سلولها به تفضیل شرح داده میشود:
1-2-1-فتوآند
جهت ساخت فتوآند در این سلولها از نیمهرساناها استفاده میشود. نیمهرساناها معمولاً در معرض الکترولیت و تابش نور پایداری خوبی دارند ولی بیش تر نیمه رساناها به علت گاف انرژی نسبتاً زیادی که دارند، نمیتوانند نور مرئی را به اندازه کافی جذب کنند بنابراین نیمه رساناهایی مانند نانو ساختارهای تیتانیوم اکسید (TiO2) و اکسید روی (ZnO) با پوششی از رنگدانه های آلی که میتوانند بخشی از نور مرئی خورشید را جذب کنند در این سلولها به کار میرود. رنگدانه ها در واقع نوعی مولکولهای آلی حساس به نور هستند. ویژگی خاص مولکولهای این نوع رنگدانه وجود ترازهای HOMO و LUMO در آنهاست که امکان آزاد شدن الکترون و انتقال آن به TiO2 را ممکن می سازد .
مؤثرترین و متداولترین رنگدانه هایی که در این نوع سلولها به کار می روند و توسط گروه گراتزل ساخته شده اند، کمپلکسهای روتنیوم و اسمیوم میباشند که از طریق گروه کربوکسیلی فسفاتی و هیدروکسیلی به سطح TiO2 متصل می شوند. در بین رنگدانه های مختلف ، مهم ترین نوع تجاری آن ها N719 ، Z907 ، N3 هستند.
نیمه رساناهای TiO2 و ZnO بر روی زیر لایه های شفاف و رسانا مانند قلع اکسید آلاییده شده با فلوئور (FTO) یا ایندیوم پوشش داده میشوند. این زیر لایه ها پوشش نازکی از اکسید رسانای شفاف (TCO) لایه نشانی شده روی شیشه است ویژگی های دیگر این زیر لایه مقاومت سطحی پایین و عدم تغییر حالت در دماهای حدود 500 درجه سانتی گراد میباشد. برای افزایش میزان نور جمع آوری شده (LHE) پژوهشگران از الکترودهای TiO2 مزوپروس استفاده میکنند که علاوه بر افزایش جذب رنگدانه، موجب نفوذ آسانتر الکترولیت به داخل ساختار مزوپروس می شود.
معمولاً این لایهی مزوپروس TiO2با فاز بلوری آناتاز بوده که از ساختار های متداولی چون نانو لوله ، نانو میله، نانو ذره ، نانوفیبر دی اکسید تیتانیوم برای این لایه در ابعاد 400-20 نانومتر استفاده می شود. این لایه نیمه هادی دارای تخلخلی از مرتبه 60-70 در صد است. فاکتور زبری (نسبت سطح واقعی به ظاهری) برای لایه ای به ضخامت mµ10 حدود 1000 است و به این معناست که cm2 1 از لایه TiO2 با ضخامتm µ10 دارای سطح واقعی cm2 1000 می باشد که منجر به جذب سطحی مقدار زیادی رنگدانه شده ( مقدار رنگدانه جذب شده از مرتبµmol/cm2 1/0) که افزایش میزان جمع کردن باریکه ی نور تابشی در فتو الکترود حساس شده به رنگدانه (LHE) را در پی
