بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، اثر نانوذرات پلاسمونیکی بر کارایی سلولهای فتوولتاییک آلی مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور سلول-های فوتوولتاییک پلیمری در حالت متعارف و در حضور نانوذرات پلاسمونیکی نقره با ساختارهای ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/BCP/LiF/Al و ITO/PEDOT:PSS/Ag/P3HT:PCBM/BCP/LiF/Al ساخته شدند. برای بهبود خواصپلاسمونیکی نقره پس از لایهنشانی، عملیات حرارتدهی در دو دمای متفاوت 180 و 120 درجه سلسیوس انجام گردید. پارامترهای فوتوولتاییک سلولها تعیین و نقش نانو ذرات پلاسمونیکی نقره بر عملکرد سلول تجزیه و تحلیل شد. نتایج نشان میدهد حضور نانوذرات پلاسمونیکی نقره باعث افزایش جذب لایه فعال سلول شده و درنتیجه بازده سلولهای فوتوولتاییک پلیمری را بهبود میبخشد.
-1 مقدمه
در دهههای اخیر با بروز بحرانهای زیست محیطی و همچنین کاهش منابع انرژی تجدیدناپذیر، توسعه فناوری سلولهای فتوولتاییک به عنوان منابع جدید تولید جریان الکتریکی از نور مورد توجه قرار گرفته است. سلولهای فتوولتاییک آلی بدلیل سهولت ساخت، روشهای متنوع ساخت، هزینه ی کم ساخت و امکان تولید بر روی بسترههای انعطاف پذیر و در مساحتهای بزرگ توجه محققان و صنایع زیادی را به خود جلب کرده است. سلول فتوولتاییک ارتقاء یافته با نانو ذرات پلاسمونیکی، نسل جدید سلولهای فتوولتاییک است که با افزوده شدن نانوذرات فلزی با استفاده از فرآیندهای متنوع باعث گیراندازی نور در سلول، افزایش جذب نور فرودی و درنتیجه افزایش تولید الکتریسیته توسط سلول فتوولتاییک میشود. در سلولهای فتوولتاییک فرایند تبدیل نور به جریان الکتریکی شامل جذب فوتون، تولید اکسایتون، جدایش اکسایتون و ترابرد بار به سمت الکترودها در لایه فعال سلول رخ میدهد.[1] در این پژوهش ابتدا سلول فوتوولتاییک پلیمری متعارف، با پیوند ناهمگون حجمی با لایه فعال P3HT:PCBM در حضور لایههای میانگیر انتقال دهنده حفره و سد کننده اکسایتونی تهیه و سپس سلول ارتقاء یافته با حضور نانوذرات پلاسمونیکی نقره ساخته گردید. در ادامه به بررسی و تجزیه تحلیل نقش پلاسمونیکی نانوذارت نقره بر عملکرد سلول فوتوولتاییک پلیمری پرداخته شد.
-2 مواد و روش
به منظور بررسی اثر نانوذرات پلاسمونیکی نقره در سلول فتوولتاییک آلی پلیمری، دو ساختار زیر را در نظر گرفتیم: ساختار : - 1 -
ITO/ PEDOT:PSS /P3HT:PCBM/BCP/LiF/Al
ساختار : - 2 -
ITO/PEDOT:PSS/Ag/P3HT:PCBM/BCP/LiF/Al
شکل:1 ساختار نوعی سلول خورشیدی با نانوذرات پلاسمونیکی نقره.
شکل 1 طرح نمادین از ساختار سلول فوتوولتاییک تحت مطالعه در حضور نانوذرات نقره را نشان میدهد. در ساخت سلول فوتوولتاییک پلیمری بدون حضور نانوذرات با ساختار - 1 - ابتدا لایههای تجاری در دسترس ITO را بهعنوان آند با مقاومت سطحی 15 /VT با استفاده از اسید کلریدریک سونش دادیم. سپس فرآیند شست و شو با استفاده از استون، ایزو-پروپانول، اتانول و آب دیونیزه، برای هر کدام به مدت 5 دقیقه درون دستگاه آلتراسونیک انجام شد. در ادامه لایه انتقال دهنده حفره PEDOT:PSS با روش لایهنشانی چرخشی با سرعت چرخشی 3200 دور بر دقیقه و زمان چرخش 40 ثانیه لایه نشانی گردید. پس از لایهنشانی به مدت 15 دقیقه در دمای 120 & عملیات بازپخت انجام شد. برای تهیه نسبت 1:1 از P3HT:PCBM، 0/017 g از P3HT در 1 mL دی کلروبنزن و همچنین 0/017 g از PCBM در 1 mL دی کلروبنزن مجزا از هم، به مدت 60 دقیقه در دمای 45 & حل شد. پس از این مرحله، دو محلول به مدت 24 ساعت در دمای محیط مخلوط شدند. پس از مراحل آماده سازی، P3HT:PCBM با روش لایهنشانی چرخشی با سرعت چرخشی 1200 دور بر دقیقه و زمان چرخشی 60 ثانیه لایه نشانی شد. جهت افزایش ضخامت لایه جاذب P3HT:PCBM لایهنشانی در دو مرحله پشت سرهم دو مرتبه تکرار گردید. سپس به مدت 20 دقیقه در دمای 150 & نمونه مورد بازپخت قرار گرفت . لایه BCP به عنوان سد کننده اکسیتونی با ضخامت 11 nm و سپس LiF با ضخامت 1/2 nm و در نهایت کاتد Al با ضخامت 100nm به روش تبخیر حرارتی لایهنشانی گردیدند. به منظور بررسی اثر نانوذرات پلاسمونیکی بر عملکرد سلول خورشیدی مورد نظر در ساختار - 2 - ، با استفاده از دستگاه تبخیر حرارتی نقره در فشار نهایی 5×10-5 mbar با آهنگ انباشت 0/05 nm/s به ضخامت اسمی 4 nm بر روی لایه ITO/PEDOT:PSS لایهنشانی شد. جهت بهرهوری از خاصیت پلاسمونیکی نقره پس از لایهنشانی ملزم به حرارتدهی هستیم. این فرآیند در دو دمای مختلف بالا و پایین انجام میشود تا نقره تحت تأثیر خاصیت تجمع پذیری، از حالت نزدیک به لایهای یکنواخت خارج شود و به حالت نزدیک به نانوذرات مجزا بیشتر تبدیل گردد. بنابراین در کوره در شرایط خلأ ابتدا به مدت 150دقیقه در دمای بالای 180 & و سپس به مدت 180 دقیقه در دمای پایین 120 & مورد بازپخت قرار گرفت. پس از این مراحل لایه سدکننده اکسیتونی BCP و کاتد LiF/Al انباشت گردیدند. همه شرایط آزمایش برای دو ساختار یکسان در نظر گرفته شد.
-3 بحث و نتایج
طیف جذب PCBM، P3HT و P3HT:PCBM در شکل 2 نشان داده شده است. P3HT دارای باند جذب گسترده و قوی در طول موج 400 تا 650 nm است و PCBM دارای جذب قوی در محدوده فرابنفش با طول موج 300 تا nm 350 است. همانگونه که در شکل 2 دیده میشود پس از مخلوط کردن PCBM و P3HT، مقدار جذب در ناحیه جذبی P3HT و در ناحیه جذب اشعه ماوراء بنفش PCBM تقویت میشود، که به علت برهمنهی جذب و اثر ناهمگونی PCBM و P3HT است.[2] در لایه فعال پلیمر: فولرین کمتر از الکترونهاست. این بدین معناست که حفرهها آهستهتر از الکترونها به فصل مشترکها میرسند. از سوی دیگر، میدان الکتریکی موضعی در مجاورت نانوذرات نقره که با تشدید پلاسمون-های سطحی موضعی نانوذرات ایجاد میشود، با افزایش فاصله از ذره، کاهش مییابد. بنابراین، حفرههای نزدیک به فصل مشترک بین لایههای میانگیر و فعال میتوانند از میدان الکتریکی قویتری بهرهمند شوند و باعث تسریع در انتقال حفرهها به آند میشود.
شکل:3 طیف جذب لایههای میانگیر و فعال با حضور نانوذرات پلاسمونیکی نقره و بدون حضور آنها
اثرات ناشی از حضور نانوذرات پلاسمونیکی نقره و عدم حضور آنها در منحنی مشخصه J-V در حالت روشنایی، تحت تابش با شدت 100 mW/cm2 در استاندارد AM 1/5، در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل :2 طیف جذب P3HT، PCBM و P3HT:PCBM برحسب طول موج به منظور نشان دادن بهبود کارایی سلول فوتوولتاییک دارای نانوذرات پلاسمونیکی، طیف جذب با حضور نانوذرات نقره و بدون حضور آنها مطالعه شد. شکل 3 مقایسه طیف جذب دو ساختار زیر را نشان میدهد:
ITO/PEDOT:PSS/Ag/P3HT:PCBM
ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM
با مقایسه دو منحنی، شدت جذب در حضور نانو ذرات پلاسمونیکی نقره به طور واضح افزایش یافته است. همچنین در ساختار لایه پلیمری، تحرکپذیری حفرهها
شکل :4 منحنی مشخصه چگالی جریان- ولتاژ، با حضور نانوذرات پلاسمونیکی نقره و بدون حضور آنها تحت روشنایی
