بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله سلولهای فتوولتاییک پلیمری با پیوند ناهمگون حجمی باساختارITO/MoO3/P3HT:PCBM/BCP/LiF/Al در نسبتهای وزنی متفاوتی از P3HT:PCBM ساخته شد. به منظور بررسی اثر تغییر نسبتهای وزنی این مواد در ناحیه فعال، سلولهای پلیمری با لایه فعال P3HT:PCBM در چهار نسبت وزنی 1 : 1، 1 :1/5، 1 :0/8، 1 :0/6 ساخته شدند. پارامترهای فتوولتاییک سلولها از قبیل جریان مدار کوتاه، ولتاژ مدار باز، ضریب پرشدگی و بازده تبدیل توان سلولها نیز تعیین و مورد تجزیهوتحلیل قرار گرفتند. نتایج و بررسیها حاکی از آن است که سلول ساختهشده با نسبت وزنی1:1 از عملکرد بهتری برخوردار است. در پایان با استفاده از منحنی جریان-ولتاژ سلول، مدل انتقال حامل بار حاکم بر سلول بهینه تعیین شد
-1 مقدمه
فوتوولتاییک پدیدهای است که در آن انرژی خورشیدی جذب و به الکتریسیته تبدیل میشود. سلولهای فوتوولتاییک ازجمله قطعات الکترواپتیکی هستند که بر همین اساس کار میکنند. امروزه سلولهای فوتوولتاییک آلی با هزینه کم، ساخت آسان و قابلیت ساخت روی سطوح بزرگ مورد توجه قرار گرفتهاند. سلولهای پلیمری علاوه بر مزیتهای ذکرشده، قابلیت حل شدن در حلالهای آلی را نیز دارند که تهیه سلولهای خورشیدی را انعطافپذیر میکند.[1] یکی از ساختارهایی که بیشترین مطالعات تاکنون روی آن صورت گرفته است، بر پایه روش اتصالات ناهمگون حجمی است که در آن نیمرساناهای پلیمری بهعنوان دهنده و فولرنها بهعنوان گیرنده عمل میکنند. P3HT:PCBM - پلی-3هگزیل تیوفن: 6 - و - 6 -فنیل--C60 بوتریک اسید متیل استر - از معروفترین مواد فعال بر پایه پلیمرهای مزدوج به شمار میآیند.[2] برای تشکیل پیوند ناهمگون حجمی ماده گیرندهی الکترون - در این پژوهش - PCBM و ماده دهنده - P3HT - با هم ترکیب میشوند. این نوع پیکربندی منجر به بهبود کارایی سلول فتوولتاییک خواهد شد.[3]
فرآیند تبدیل نور به الکتریسیته توسط سلول فتوولتاییک شامل جذب فوتون و تولید یک جفت الکترون-حفره - اکسایتون - ، پخش اکسایتون، جدایی و انتقال بار و درنهایت جمعآوری بار از درون نیمرسانا به سمت الکترودهای مربوطه است.[4] ترکیب پلیمرهای مزدوج با الکترون گیرندههایی مانند فولرنها یک روش خیلی کارآمد جهت تجزیه اکسیتونهای تولیدشده به حاملهای بار آزاد است. مطالعات فیزیکی نشان داده است که انتقال بار در چنین ترکیبهایی خیلی سریعتر خواهد بود.[5] شناخت اصولی فرآیند تزریق بار برای بررسی عملکرد سلول خورشیدی ضروری است. این فرآیند بر اساس ولتاژ اعمال شده به دو دسته گرمایونی و گسیل میدانی تقسیم میشود. در ولتاژ پایین که گسیل گرما یونی حاکم است، حاملهای بار، انرژی گرمایی لازم برای غلبه بر سد پتانسیل را به دست میآورند. اگر ارتفاع سد پتانسیل زیاد و یا دما پایین باشد، تزریق به وسیله تونلزنی از میان سد پتانسیل انجام میشود - . - TCLC1 درحالت دیگر اگر تراکم حاملهای بار کم باشد، برای شارش جریان باید حاملهای بار به کمک عوامل خارجی از طریق اتصال مناسب وارد ساختار شوند. با افزایش ولتاژ، حاملهای بار اضافی به درون نیمرسانا تزریق میشوند و زمانی که چگالی آنها به حد مناسب رسید اثر بار فضایی در نیمرسانا ایجاد میشود - - SCLC2 که میدان و جریان درون نیمرسانا را مشخص میکند.[6] در این مقاله به منظور ساخت سلول فتوولتاییک پلیمری بر پایه پلیمرهای مزدوج، لایه فعال P3HT:PCBM به صورت محلول بر روی لایههای تجاری و در دسترس ITO لایه نشانی میشود. هدف نهایی در این پژوهش، مقایسه نسبت وزنی پلیمرهای مزدوج و انتخاب نسبت بهینه جهت افزایش بازده سلول است. برای تعیین نسبت ترکیب بهینهی ناحیه فعال، سلولها با نسبتهای متفاوتی از P3HT:PCBM ساخته میشوند و پارامترهای فتوولتاییک آنها با استفاده از نمودار جریان-ولتاژ مقایسه شده و درنهایت مدل تزریق حامل بار حاکم بر این سلول تعیین میشود.
-2مواد و بررسی ساختار
شکل 1 ساختار سلول خورشیدی مورد مطالعه را نشان میدهد. در این ساختار استاندارد از P3HT بهعنوان دهنده و از PCBM بهعنوان گیرنده در لایه فعال استفاده میشود. LiF/Al نقش کاتد و ITO نقش الکترود آند را بر عهده دارد. از MoO3 بهعنوان لایهی میانگیر و از BCP بهعنوان لایهی سدکننده اکسایتونی استفاده میشود.
شکل :1 ساختار عمومی سلول خورشیدی پلیمری برای ساخت سلول خورشیدی پلیمری با ساختار
ITO/MoO3/P3HT:PCBM/BCP/LiF/AL از لایه های تجاری و در دسترس ITO استفاده شد. ابتدا بسترههای ITO توسط هیدروکلریک اسید سونش شدند. سپس آنها را به ترتیب به مدت 8 دقیقه با استون، اتانول، ایزوپروپانول و آب دیونیزه در حمام اولتراسونیک شستوشو داده و با گاز نیتروژن خشک کردیم. پسازآن لایه انتقالدهنده حفره MoO3 با روش لایه نشانی تبخیری به ضخامت 5 نانومتر بر روی زیرلایه قرار داده شد. برای ساخت لایه فعال سلول ابتدا محلول P3HT:PCBM تهیه شد. به این منظور - برای نسبت 17 - 1:1میلیگرم از پودر P3HT و 17میلیگرم از پودر PCBM در 1 میلیلیتر 1 و 2 دی کلروبنزن به صورت جداگانه حل شده و به مدت 1 ساعت بر روی همزن مغناطیسی در دمای 45 درجه قرار داده شدند. پس از گذشت یک ساعت دو محلول با هم ترکیب و به مدت 24 ساعت در دمای اتاق بر روی همزن مغناطیسی هم زده شدند. محلول نهایی بهدستآمده همان محلول P3HT:PCBM با نسبت وزنی 1:1 است. - نسبتهای: 1:1/5، 1 :0/8، 1 :0/6 نیز به همین ترتیب ساخته شدند - . برای لایه نشانی لایه فعال از روش لایه نشانی چرخشی استفاده شد. لایهها با سرعت 1200 دور بر دقیقه لایه نشانی و پس از آن به مدت 20 دقیقه در دمای 150 درجه سلسیوس خشک شدند. BCP با ضخامت 10 نانومتر، LiF با ضخامت 1/2 نانومتر و در نهایت کاتد Al با ضخامت 100 نانومتر به روش تبخیر حرارتی لایه نشانی گردید و سلول پلیمری با ساختار مذکور ساخته شد. برای بررسی عملکرد سلولهای ساخته شده همه نمونهها در دستگاه شبیهساز خورشیدی قرار گرفت.
-3نتایج و بحث
شکل 2 طیف جذبی P3HT:PCBM را نشان میدهد.
شکل :2 طیف جذب P3HT:PCBM با تعداد لایههای متفاوتمنحنی مشخصه J-V مربوط به نسبتهای وزنی مختلف سلول فتولتاییک پلیمری با لایه فعال P3HT:PCBM در نسبتهای مختلف توسط دستگاه keitly2400 اندازهگیری شده است. این منحنی در حالت روشنایی و تاریکی تحت تابش 100 / 2 و طبق استاندارد AM1.5 در دو شکل3 و 4 قابل مشاهده است.
شکل :3 منحنی مشخصه چگالی جریان- ولتاژ تحت روشنایی شکل :4 منحنی مشخصه چگالی چریان-ولتاژ تحت تاریکی
