مقاله افزایش توان سلول های خورشیدی آلی با استفاده از نانوذرات فلزی

بخشی از مقاله

افزایش توان سلول های خورشیدی آلی با استفاده از نانوذرات فلزی

چکیده:

به دام انداختن نور، با توجه به نشاندن نانو ذرات فلزی برای جذب نور بهتر در سلول های خورشیدی آلی مفید است. محققان در زمینه پلاسمونیک و فوتوولتائیک آلی جهت بهبود جذب نور خورشید و جفت الکترون – فوتون در حال پژوهش هستند تا عملکرد دستگاه ها افزایش یابد. پیشرفت های اخیر در زمینه پلاسمونیک ها بر روی سلول های خورشیدی آلی اختلاط شده با نانو ذرات طلا متمرکز شده است. این مقاله روش های مختلف برای تولید و جاسازی نانو ذرات طلا در داخل سلول های خورشیدی آلی را بررسی می کند. به طور خاص، غلظت، اندازه و هندسه نانوذرات طلا از عوامل کلیدی هستند که به طور مستقیم جذب نور را تحت تأثیر قرار می دهند. این نشان می دهد که انتخاب دقیقی از اندازه، غلظت و محل قرارگیری نانوذرات طلا بازده مبدل توان را در مقایسه با دستگاه های سلول خورشیدی آلی استاندارد افزایش می دهد. آخرین نتایج ما را نانوذرات طلای جاسازی شده در داخل دستگاه های سلول خورشیدی آلی شامل می شوند. در این تحقیق نشان داده شد که نانوذرات طلای جاسازی شده توسط ته نشین کردن و حرارت دادن لایه نازک طلا بر روی الکترود شفاف باعث ایجاد تأثیرات پلاسمونیک می شود که این امر منجر به افزایش بازده مبدل توان سلول خورشیدی توده ناهمگون تا بالای %10 می شود.

واژههای کلیدی: نانوذرات طلا، سلول خورشیدی آلی، پلاسمون سطحی، اکسایتون، توده ناهمگون

مقدمه

فوتوولتائیک های آلی در دهه گذشته با توجه به دارا بودن پتانسیل های سریع بودن، کم هزینه بودن، و فرآیند حجم بزرگتر برای دستگاه های تولیدی در مقایسه با تکنولوژی سیلیکون توسعه یافته اند. بازده مبدل توان، طول عمر دستگاه و تولید در مقیاس بزرگ سه مشکلی هستند که این تکنولوژی جهت رقابت با تکنولوژی های موجود در بازار نیاز به حل آنها دارد. بازده مبدل توان در سلول های خورشیدی آلی توسط جذب نور و شارژ الکترودها کنترل می شود .(Schilinsky et al 2002 : 2) افزایش جذب نور به منظور افزایش بازده مبدل توان در این دستگاه ها بسیار مهم است. با توجه به پایین بودن تحریکات حامل در رفتار پلیمری و طول

عمر کوتاه اِکسایتون ها، ضخامت مطلوب از لایه فعال اغلب به 100نانومتر یا کمتر محدود می شود .(kirchartz et al 2012 : 3) برای ضخامت های بزرگتر، بازترکیبی از حامل های بار آزاد توسط کاهش بازده مبدل توان غالب می شود. ضخامت پایین، جذب تمام فوتون ها با جریان نوری پایین را محدود می کند.

به این دلایل، افزایش طول مسیر نوری از نور در دستگاه به منظور افزایش بازده مبدل توان مهم می باشد. در واقع، افزایش توسط هدایت چندین دفعه ای نور در لایه فعال از سلول های خورشیدی آلی می تواند احتمال جذب در دستگاه را افزایش دهد. به طور خاص، نوسان به هم پیوسته از الکترون ها در نانوذرات فلزی توسط نور در یک فرکانس خاص تولید شده است که منجربه جذب قوی یا پراکندگی نور به عنوان تابعی از اندازه ذره می شود .(Catchpole et al 2011 : 2) نانوذرات فلزی جهت افزایش جریان نوری توسط %33 از سلول های خورشیدی سیلیکونی فیلم نازک استفاده شده است .(Pillai et al 2007 : 3)

به تازگی، از نانوذرات فلزی در فوتوولتائیک آلی استفاده شده است زیرا می تواند به راحتی و بدون هیچ خطری در معماری دستگاه گنجانده شود. این مقاله ارائه خلاصه ای از فوتوولتائیک های آلی، توصیفی از مکانیزم های فیزیکی از به دام انداختن نور در سلول-

2

های خورشیدی آلی از طریق نانوذرات فلزی و نتایج جدید در ترکیبی از نانوذرات طلا در دستگاه های فوتوولتائیک آلی را بررسی می کند.

فوتوولتائیک های آلی:

سلول خورشیدی آلی معمولی از لایه های مختلف تشکیل شده است که می تواند آلی و/یا غیر آلی باشد. یک سلول خورشیدی زمانی آلی نامیده می شود که لایه جذب فعال فقط توسط مواد آلی تشکیل شده باشد. رایج ترین ساختار سلول خورشیدی آلی از دو الکترود با یک ناحیه فعال بین آنها تشکیل شده است، که در آن تولیدی از حامل های بار آزاد رخ خواهد داد. گاهی اوقات، یک لایه بافر بین هر الکترود و لایه فعال ایجاد می شود، تا اطمینان حاصل شود که انتقال بار انتخابی جهت جلوگیری از اثرات بازترکیبی بار رخ می دهد که عملکرد دستگاه را کاهش می دهد.

تولید جریان نوری از یک نور تابشی در سلول های خورشیدی آلی می تواند در موارد زیر خلاصه شود: جذب فوتون در رفتار پلیمری، ایجاد یک اکسایتون ( حالت باندی از یک الکترون و یک حفره که توسط نیروی کولن الکترواستاتیک به یکدیگر جذب شده اند)، جداسازی اکسایتون در روابط ناهمگون ( روابط بین مواد اهدا کننده و پذیرنده ). با توجه به میدان الکتریکی ساخته شده در فصل مشترک ناهمگون، الکترون به مواد پذیرنده و حفره به مواد اهدا کننده انتقال یافته است که این امر باعث ایجاد جریان نوری می شود .(Krebs 2010 : 84) اکسایتون های تولید شده توسط نور به طور معمول طول عمر بسیار کوتاه تری با فاصله بازترکیبی بین 4 و 20 نانومتر دارند .(Theander et al 2000 : 4) زیرا برای این مشکل، سلول خورشیدی توده ناهمگون (ترکیبی از مواد اهدا کننده و پذیرنده) بهترین راه حل از نظر عملکرد می باشد به این دلیل که یک حجم بزرگی از فعل و انفعال بین پذیرنده و اهدا کننده، جداسازی بار و ایجاد مسیرهای جداگانه برای انتقال حامل های آزاد فراهم می کند .(Mihailetchi et al 2005 : 2)

در حال حاضر، سلول های خورشیدی توده ناهمگونی که بیشتر مورد مطالعه قرار می گیرند سلول های خورشیدی هستند که بر اساس مشتقات فولرن ([6,6] – phenyl - C61 – butyric acid methyl ester) (PCBM) به عنوان ماده پذیرنده و هدایت کننده پلی پلیمر (3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) به عنوان ماده اهدا کننده می باشند .(Tao et al 2013 : 3) در ساختار منظم (شکل((1 (الف))، اکسید ایندیم قلع((ITO عمدتا به عنوان آند هدایتگر شفاف استفاده شده است، (PEDOT:PSS) لایه مسدود

3

کننده الکترون می باشد و لیتیوم فولوراید (LiF) لایه مسدود کننده حفره می باشد و آلومینیوم (Al) به عنوان کاتد مورد استفاده قرار می گیرد .(Bindl et al 2011 : 2) به طور معمول در یک ساختار وارونه شده ITO به عنوان کاتد، اکسید روی (ZnO) به عنوان لایه مسدود کننده حفره، PCBM:P3HT به عنوان لایه فعال، PEDOT:PSS به عنوان لایه مسدود کننده الکترون و طلا (Au) به عنوان آند می باشد (Hau et al 2010 : 9) (شکل )(1)ب)).

شکل (1) (الف) شماتیکی از ساختار سلول خورشیدی آلی منظم. (ب) شماتیکی از ساختار سلول خورشیدی آلی وارونه.

در حال حاظر، بسیاری از دستگاه های پایدار بر اساس ترکیب P3HT:PCBM حدود %4 بازده مبدل توان دارند. برخی از گروه های تحقیقاتی PCBM را با دیگر مشتقات فولرن جایگزین می کنند، که بازده مبدل توان هایی بالاتر از %7 را به وجود می آورند .(Liang et al 2010 : 2) پس از کشف حامل با تحریک بالا، خواص نوری و الکترونیکی تنظیم پذیر با نانولوله های کربنی، بسیاری از گروه ها در حال تلاش برای استفاده از این مواد در سلولهای خورشیدی آلی می باشند .(Sgobba and Guldi 2008 : 3) برخی از گروه ها در حال تلاش برای جایگزین کردن نیمی از ترکیبات یا تمام ترکیبات PCBM با نانولوله های کربنی می باشند. مشاهدات نشان می دهند زمانی که P3HT با نانولوله های کربنی مخلوط شده است، حلقه های پلیمر تمایل به پوشاندن نانولوله های کربنی با انتقال یک الکترون بین نانولوله های کربنی و P3HT می کنند .(Bernardi et al 2010 : 5) دانشمندان در حال تلاش برای جایگزین کردن لایه بافر PEDOT:PSS می باشند، و دلیلش اسیدی است که باعث تخریب لایه فعال و الکترود ITO شده است (Wong et al 2012 : 4) زیرا اسیدی که باعث تخریبی از لایه فعال و الکترود ITO شده است باعث کاهش طول عمر دستگاه سلول خورشیدی می شود .(Sun et al 2010 : 2)

4

گروه های تحقیقاتی دیگر روی ساخت پلیمرهای رسانایی جدید که قادر به جذب بخش بزرگی از طیف خورشیدی می باشند کار می کنند. در واقع، P3HT، که تا حد زیادی در سلول های خورشیدی استفاده شده است، دارای یک طیف جذبی ضعیف مطابق با طیف انتشار خورشیدی می باشد. به همین دلیلP3HT، قادر به جمع آوری فقط تا %22/4 از فوتون های خورشیدی در دسترس می باشد .(Smestad et al 2008 : 4) به طور خاص، پلیمرهای رسانا با باند گپ پایین اخیراً در جهت افزایش بازده مبدل توان استفاده شده اند (Liang et al 2009 : 7) (شکل .((2)

شکل((2 ساختار دستگاهی از یک سلول خورشیدی پشت سر هم وارونه (پلیمر با باند انرژی پایین)

به دام انداختن نور پلاسمونیک در سلول های خورشیدی آلی

به دام انداختن نور در سلول های خورشیدی آلی راه حل جالبی برای افزایش بازده مبدل توان در دستگاه شبیه ساز سلول خورشیدی آلی برای درک تکنولوژی سلول خورشیدی سیلیکونی فیلم نازک می باشد که در آن ضخامت سیلیکون تنها چند میکرومتر می باشد .(Pillai et al 2007 : 3)
چندین تکنیک برای به دام انداختن نور در فوتوولتائیک های آلی مانند گنجاندن نانو ساختارهای دوره ای (Zeng et al 2013 : 5)، توری های انکساری (Lindquist et al 2008 : 3)، نانوذرات فلزی (Lu et al 2012 : 2) و ترکیبی از نانوذرات توری و فلزی ارائه شده است. به طور خاص، گنجاندن نانوذرات فلزی می تواند جذب نور را توسط دو مکانیزم افزایش دهد: افزایش تفرق (پراکندگی) سطح مقطع به جلو و افزایش میدان نزدیک (Atwater 2010 : 2) (شکل .((3)

5

شکل(3) (الف) به دام انداختن نور توسط پراکندگی نانوذرات فلزی بر روی سطح سلول خورشیدی آلی استاندارد. (ب) تحریک پلاسمون های سطحی متمرکز شده در نانوذرات فلزی نشانده شده در سلول خورشیدی آلی

وقتی که ذرات فلزی بسیار شبیه یا در اندازه کوچکتر از طول موج نور هستند، یک تعامل قوی بین الکترون انتقال آزاد در فلز و تابش الکترومغناطیس رخ می دهد. پلاسمونها نوساناتی از این الکترون های انتقال آزاد می باشند و دلیل ایجاد نوسان به این صورت است که دوقطبی موجود در ذرات به دلیل تعامل با نور تولید نیرو می کند که این نیرو باعث نوسان می شود (شکل(.((4 این وضعیت حالت تشدید زمانی رخ می دهد که فرکانسی از نور با فرکانسی از نوسان الکترونها جفت می شود و به عنوان تشدید پلاسمون سطحی متمرکز شده (LSPR) در حالتی از ساختارهایی با اندازه نانومتر تعریف می شود.

شکل((4 شماتیکی از تشدید پلاسمون سطحی که حرکت آزاد الکترونها در نانوذرات فلزی به صورت نوسانی هدایت می یابد و

دلیل آن جفت شدن قوی با نور تابشی می باشد.

انرژی پلاسمون در مدل الکترون آزاد به صورت زیر تعریف شده است :(Maier 2007 : 40)

6

√ (1)

در اینجا n چگالی الکترون های آزاد، e شارژ اولیه، m جرم الکترون، ε0 گذردهی فضای آزاد، ћ ثابت پلانک، ωP اندازه فرکانس پلاسمون می باشد.

برای فلزات با جذب باند ورودی پایین، تابع دی الکتریک را می توان با مدل Drude توضیح داد، که پاسخ میرا از الکترون های آزاد را برای کاربرد میدان مغناطیسی با فرکانسی از ω روشن می سازد :(Maier 2007 : 12)
(2) ( )

ω فرکانس زاویه ای از یک میدان مغناطیسی به کار رفته شده می باشد.

نانوذرات فلزی در یک محیط همگن پراکنده در هر دو جهت جلو و معکوس تعبیه شده اند. در عوض، اگر نانوذرات نزدیک رابط دو دی الکتریک قرار گیرند نور با گذردهی بالا در داخل دی الکتریک پراکندگی زیادی خواهد داشت. در این روش، طول مسیر نوری را می توان با گسترش زاویه ای از نور در داخل دی الکتریک افزایش داد .(Viktor et al 2011 : 5)

برای نانوذرات فلزی با قطر کمتر از طول موج نور، یک مدل دوقطبی نقطه ای با هر دو روش جذب و پراکندگی از میدان الکترومغناطیسی شرح داده می شود. پراکندگی و جذب بخش متقابل بصورت زیر است :(Huffman and Bohren 1983 : 35)
(3) [ ] ) | | )

در اینجا α قابلیت قطبش ذرات است.
بازده پراکنده گی توسط فرمول زیر بدست می آید :(Bohren and Huffiman 2008 : 71)
(4) ( ⁄(
برای به دام انداختن نور ناشی از اثر پراکندگی، افزایش سطح مقطع پراکندگی به جای جذب مهم است. این اثر می تواند با ذرات

بزرگی با اندازه بیش از 100 نانومتر بدست آید. پارامترهای دیگر مانند شکل ذرات و متوسط مقدار احاطه شده می تواند منجربه افزایش اثر پراکندگی در دستگاه سلول خورشیدی آلی شود (شکل .((5)

7

شکل(5) شماتیکی از سیستم و محاسبه کسری از نور ضمنی پراکنده شده در داخل PEDOT:PSS برای لایه ای از طلا با قطر 40 نانومتر، یک نیمکره طلا با قطر 40 نانومتر و یک نیمکره طلا با قطر 100 نانومتر بر روی بستر ITO رسوب یافته است.

همانطور که مشاهده می شود، مقدار نور پراکنده شده در داخل PEDOT:PSS به طور مستقیم توسط اندازه و شکل ذرات تحت تأثیر قرار گرفته شده است. نانوذرات فلزی معمولاً از جنس آلومینیوم، نقره، طلا یا مس ساخته می شوند زیرا این فلزات به شدت با نور خورشید سازگار هستند. به طور خاص، طلا و هادی مس برای تشدید پلاسمون های سطحی در طیف مرئی کار می کنند در حالی که آلومینیوم و هادی نقره برای تشدید پلاسمون های سطحی در طیف فرابنفش کار می کنند. بنابراین، جلوگیری از تأثیرات اکسیداسیون در نانوذرات طلا ممکن نیست.

ساخت نانوذرات طلا برای سلول های خورشیدی آلی:

نانوذرات طلا می تواند توسط روش شیمیایی مایع تولید شود (Louis and Pluchery 2012 : 64)، مایعات با پالس لیزری پیکو و فمتوثانیه فرسایش می یابند و توسط ورقه نازکی از طلا به دنبال حرارت زیاد روی بستری قرار می گیرند. در روش شیمیایی مایع، نانوذرات طلا توسط کاهشی پیشرو ایجاد شده اند. در این روش هالید های طلا معمولا به صورت پیش ساز توسط تجزیه ای از طلای انباشته شده در سیانید فلزی با آرایشی از کلروآریک اسید (HAuCl4) یا کلرید طلا (AuCl3) استفاده شده اند. به طور خاص، 20 میلی لیتر از یک سیترات سدیم %4 به 100 میلی لیتر از کلروآریک اسید در 90درجه سانتیگراد اضافه شده بود. مخلوط