بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق با سنتز نانو ذرات نقره و نقره - کبالت و استفاده از آن به همراه نانو ذرات دی اکسید تیتانیم ، تاثیر عملکرد آن در سلول خورشیدی حساس شده به رنگینه بررسی شده است. نانو ذرات نقره و نقره - کبالت به روش الکترولیز شیمیایی سنتز شده و در فوتوآند یک سلول خورشیدی حساس شده با رنگینه استفاده شده است. با مشخصه یابی سلول خورشیدی بازده سلول ساخته شده تحت شرایط استاندارد 2/43 درصد اندازه گیری شد. با بررسی نتایج می توان نتیجه گرفت که افزودن نانو ذرات فلزی می تواند بازده سلول را افزایش دهد.
کلمات کلیدی: سلول خورشیدی حساس شده با رنگینه، نانوذرات، نقره، نانو ذرات نقره - کبالت
مقدمه
پیش بینی می شود که نیاز جهانی به انرژی تا سال 2030 تا %70 افزایش می یابد. سوختهای فسیلی، منبع %80 از کل انرژی مصرف کل جهان است. به دلیل افزایش نیاز به انرژی، کاهش منابع سوختهای فسیلی به گرم شدن زمین و تغییرات آب و هوایی، فناوری انرژی سازگار با محیط زیست احتیاج ضروری است.
سلول خورشیدی، یک دستگاه الکتریکی است که با دریافت انرژی نور خورشید،آن را مستقیماً توسط اثر فتوولتائیک به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. [2] سلول های خورشیدی حساس
شده با رنگینه را توسعه دادند. این نوع سلولها بدلیل بازده نسبتاً خوب، سادگی در تولید و داشتن خواص نوری قابل تنظیم مورد توجه دانشمندان بوده است. [3]
در سالهای اخیر دی اکسید تیتانیم به ویژه در شکل نانوذرات آن به عنوان یک ماده خوب برای فوتو آند در سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگینه با کارایی بالا استفاده می شود. دلیل این کارایی را می توان سمی نبودن، پایداری ساختار، در دسترس بودن، پایداری شیمایی خوب و هزینه پایین اشاره کرد. 4]،[5 با توجه به گاف انرژی دی اکسید تیتانیم 3/2 - الکترون ولت - و با
توجه به اینکه استفاده کاربردی از این ماده توسط نور فرا بنفش انجام می گیرد، لذا حساس سازی نانو ساختارهای اکسید تیتانیم به نور مرئی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.6]،[5 اخیراً محققان دریافته اند که آلاییدن دی اکسید تیتانیم با فلزهای
واسطه می تواند شکاف انرژی و در نتیجه کارایی سلولهای فتوولتاتیک را تصحیح کند. از طرف دیگر آلاییدن یک فلز با شکاف انرژی پایین روی TiO2 راه بهتری برای بالا بردن جذب اپتیکی در محدوده نور مرئی است.
در میان فلزات واسطه، به یون های نقره به عنوان ناخالصی در DSSC به دلیل اثر انتقال الکترون آنها آماده سازی ساده و هزینه کم، توجه ویژه ای می شود. در سال 2013 وی و همکارانش با استفاده از خمیر Ag:TiO2 یک سلول خورشیدی با بازده بالا ساختند.[7] در سال 2017 نیز ساکتیول و همکارانش با تولید نانو پودر نقره از نقره نیترات و ترکیب مقادیر مختلف آن با نانو ذرات دی اکسید تیتانیم توانستند تغییراتی در مشخصه های سلول خورشیدی ایجاد کنند.[5]
در این تحقیق ابتدا نانوذرات نقره و نقره - کبالت به روش الکترولیز شیمیایی سنتز شد و سپس با افزودن آن به نانو ذرات TiO2 ، از آن در ساخت فوتوآند یک سلول خورشیدی حساس به رنگینه استفاده شده است.
روش آزمایش
▪ روش سنتز نانوذرات نقره به روش الکترولیز شیمیایی برای به دست آوردن محلول حاوی نانوذرات نقره،باید ماده
AgNO3 را به مقدار 0/0849 گرم و ماده KNO3 به مقدار 1/01 گرم و ماده PVP به مقدار 2 گرم را درون بشر 100 میلی لیتری
ریخته و مقدار آب دوبار تقطیر را اضافه نموده تا حجم محلول به 100 میلی لیتر برسد.سپس محلول مذکور با همزن مغناطیسی همزده میشود و با اعمال جریان 1آمپر و با استفاده از الکترود چرخنده و استفاده از دستگاه چرخنده 3000 دور بر ثانیه در مدت زمان 75 ثانیه محلول نانوذرات نقره به دست میآید. رنگ محلول زرد کم رنگ میباشد.
▪ روش سنتز نانوذرات نقره - کبالت
برای سنتز نانوذرات نقره - کبالت ماده CoSO4 را به مقدار 0/014055 گرم با ماده CTAB به مقدار 0/1822 گرم درون یک بشر ریخته و تا حجم 40 میلی لیتر آب دوبار تقطیر اضافه میشود و با هم زن مغناطیسی همزده شده، و مقدار 20 میلی لیتر از این محلول را به 40 میلی لیتر محلول نانو ذرات نقره تولید شده در مرحله قبل اضافه کرده و روی همزن مغناطیسی گذاشته میشود. سپس 0/6052 گرم NaBH4 را با 0/364 گرم CTAB درون بشر جداگانه ریخته و آب دوبار تقطیر به ان افزوده تا به حجم 20 میلی لیتر برسد سپس بهم زده و مقدار 0/02 میلی لیتر از این محلول را به بشر 60 میلی لیتری اضافه کرده تا سنتز ماده به سرعت انجام شود. رنگ محلول نهایی قهوه ای سوخته است.
▪ ساخت فتوآند
برای ساخت فتوآند از شیشه لایه نشانی شده با اکسید قلع آلاییده به فلور به عنوان زیر لایه استفاده شد. بعد از چندین مرتبه شستشو با دستگاه آلتراسونیک، خمیر اکسید تیتانیم در مسافتی به اندازه 0/25 سانتی متر مربع بر روی زیر لایه - از طرف سطح رسانا - به روش دکتر بلید لانه نشانی می شود. خمیر به منظور بازپخت به درون کوره منتقل می شود. دمای پخت در این مرحله 500 درجه سانتی گراد برای هشتاد دقیقه در نظر گرفته می شود. سپس شیشه های FTO درون محلول حاوی نانوذرات نقره تولید شده و غوطه ور شده و به مدت 10 دقیقه در معرض لامپ پرتو فرابنفش قرار
گرفت و سپس درون رنگدانه N719 برای مدت 24 ساعت قرار گرفت.
▪ ساخت اکترود مقابل
پس از شستشوی زیرلایه چند قطره پلاتین به روش دکتر بلید بر روی سطح رسانای FTO لایه نشانی می شود و سپس این الکترودها درون کوره با دمای 460 درجه سانتیگراد و به مدت 15 دقیقه قرار گرفت.
▪ مشخصه یابی
برای مشخصه یابی سلول ساخته شده از دودستگاه شبیه ساز طیف خورشید و دستگاه اندازه گیری جریان ولتاژ استفاده می شود. ابتدا توسط سلول استاندارد، ارتفاع جک درون دستگاه شبیه ساز طیف خورشید تنظیم میشود. در این ارتفاع طیف نور تابیده شده، شبیه طیف نور خورشید بوده و شدت تابشی 100 mw/cm2 می باشد.
در دستگاه I-V پس از تنظیم دستگاه مقادیر خواسته شده نمودار جریان - ولتاژ سلول رسم و اطلاعات داده شده از دستگاه ذخیره می شود. پس از رسم نمودار توسط داده های جریان و ولتاژ ، جریان مدار کوتاه - Isc - ، ولتاز مدار باز - VOC - بیشترین جریان - Imax - و بیشترین ولتاژ - Vmax - بدست می آید و توسط روابط زیر به محاسبه چگالی جریان - Jsc - عامل پرشوندگی - FF - و بازده سلول - - می پردازیم.
نتایج و بحث
شکل1، منحنی جریان ولتاژ یک سلول خورشیدی حساس به رنگینه را در حضور نانوذرات نقره و نقره-کبالت نشان می دهد. هماهنگونه که این شکل نشان می دهد، قراردادن لایه TiO2 در محلول حاوی نانو ذرات نقره و نقره-کبالت، چگالی جریان افزایش پیدا کرده است. به طوریکه وقتی درون محلول نانوذرات نقره قرار گرفت، چگالی جریان سلول نسبت به حالتی که از نانوذرات نقره درون سلول استفاده نشده بود 1/12 برابر افزایش و هنگامی که درون نانوذرات نقره- کبالت قرار گرفت 1/14 برابر افزایش دارد.
شکل: 1 منحنی جریان - ولتاژ سلول خورشیدی حساس شده با رنگینه
