بخشی از مقاله
چکیده-
در این پژوهش با توجه به اهمیت روش ساخت لایه جاذب ماده پروسکایت در عملکرد سلول خورشیدی نانو ساختار پروسکایتی و وابستگی جذب به گاف انرژی، پیش ماده متیلآمونیومیدید به سه روش سنتز گردید. سپس این سه ماده سنتز شده در ساختار FTO/bl-TiO2/mp-TiO2/ CH3NH3PbI3/Au به عنوان پیش ماده پروسکایت به کار گرفته شد. عملکرد هر یک از سلولهای ساخته شده توسط آنالیزهای I-V و UV-vis و XRD مورد بررسی قرار گرفت. پس از بررسی آنالیزها مشخص شد مادهی CH3NH3I که در درون محفظه اتمسفر کنترل شده مخلوط و خشک شد، بازدهی بهتری از خود نشان داد.
مقدمه
انرژی خورشیدی یکی از انرژیهای ارزان و پاک می-باشد که در طبیعت وجود دارد. در تکنولوژیهای پیشرفته تلاش شده است تا انرژیهای مورد نیازشان را از خورشید تامین کنند.[1] یکی از این تلاشها سلول-های خورشیدی است. سلولهای خورشیدی لایه نازک یکی از پرطرفدارترین شاخههای مورد مطالعه در حال-حاضر میباشد. در دهه اخیر از مادهای به نام پروسکایت در سلولهای خورشیدی لایه نازک استفاده میشود.[4] این ماده باعث انقلاب بزرگی در بازده سلولهای خورشیدی شده است به طوری که در این مدت زمان کوتاه پس از ساخت اولین سلول بازده آن به%20/1 رسیده است.
ماده پروسکایت از یک بخش هیبریدی آلی و یک بخش معدنی تشکیل شده است.[3] این ماده چون از ترکیب مواد آلی و معدنی بدست میآید باعث کاهش هزینه سلولهای خورشیدی میشود. مادهی پروسکایت بر اساس متیلآمین خاصیت انتقال فاز دارد که این ممکن است به خاطر حرکت کاتیونهای یون آمین در میان محورهای C-N با محور کریستالها باشد. وقتی دما پایین باشد انتقال فاز آن منحصر به فرد است ولی وقتی دما بالا میرود چرخش آن سریع اتفاق میافتد و از فاز مکعبی به فاز تتراگونال انتقال پیدا می-کند.
چگالی بالای پروسکایت یکی از نقصهای این ماده است که با تنظیم آهنگ متیل آمونیوم یدید و سرب یدید در سنتز این مواد میتوان این نقص را برطرف کرد. خواص مادهی پروسکایت مانند ساختار بلورین، مورفولوژی سطح، گاف انرژی، خلوص ماده و بلوری شدن پروسکایت به نوع سنتز بستگی دارد.
علاوه بر این پروسکایت دارای قابلیتهایی همچون حل پذیری مناسب و ساخت در دمای پایین است که باعث شده تا بتواند با دیگر سلولهای خورشیدی رقابت کند. مواد پروسکایتی تقریبا همهی مشخصات یک نیمههادی خوب را دارا میباشد که میتوان از این مشخصات به گافانرژی کم؛ ضریب خاموشی بالا؛ تحرک پذیری بالا و طول پخش زیاد اشاره کرد.[4] سلولهای خورشیدی پروسکایتی را به دو دسته تقسیم میکنند.
.1 پلنرها که از لایههای کاتد و آند وانتقال دهنده الکترون و حفره و پروسکایت تشکیل شده است.
.2 مزوپروس که از لایه- های کاتد وآند و لایههای انتقال دهنده الکترون و حفره و لایه مخلوط پروسکایت مزوپروس تشکیل شدهاست. پروسکایت ماده مناسبی برای سلول خورشیدی پلنر است چون دارای طول عمر حاملهای مناسب و طول پخش بزرگ می باشد. میتوان گفت ماده پروسکایت برای سلولهای خورشیدی ماده مناسبی است.
روش آزمایش 2-1 روشهای سنتز متیلآمونیومیدید
روش اول: در ابتدا 50 میلیلیتر دیاتیلاتر را درون بشر250 سیسی ریخته و سپس 12 میلیلیتر متیلآمین 40% به آن اضافه شد و بعد از آن در درون محفظه اتمسفر کنترل شده و با حضور گاز نیتروژن، 5 سیسی هیدرویدیک اسید % 57 به صورت قطره قطره در دمای صفر درجه اضافه شد. دو ساعت اینماده روی همزن مغناطیسی قرار داده تا کاملا مخلوط شود سپس دما به 50 رسید و دو ساعت نیز در آن دما قرار داده شد. پس از آن مادهای زرد رنگ حاصل شد و در آخر به مدت 24 ساعت در دمای 50 درجه درون کوره قرار گرفت تا کاملا خشک شود. ماده حاصل از این فرآیند یک ماده سفید رنگ است.
روش دوم: 50 میلیلیتر متانول را درون بشر 250سیسی ریخته و پس از آن 12میلیلیتر متیلآمین %40 به آن اضافه و سپس در دمای اتاق 5 میلیلیتر هیدرویدیک اسید % 57 به صورت قطرهقطره اضافه و به مدت دو ساعت روی همزن مغناطیسی قرار داده شد تا کامل هم بخورد. پس از آن دمای همزنمغناطیسی به 50 رسید و دو ساعت در آن دما قرار داده شد. این بار یک ماده کرم رنگ حاصل شد و در آخر به مدت یک شبانه روز در درون کوره 50 درجه گذاشته شد تا شبکه کریستالی تشکیل شود که یک پودر سفید رنگ حاصل شد.[
روش سوم: در ابتدا 25میلیلیتر متیلآمین %40 درون بشر 50 سیسی ریخته پس از آن در درون محفظه اتمسفر کنترل شده و در دمای صفر درجه روی همزنمغناطیسی قرار گرفت و 11میلیلیتر هیدرویدیکاسید %57 به صورت قطرهقطره به آن اضافه شد و بر روی همزن مغناطیسی به مدت دو ساعت در این شرایط مخلوط شد. پس از آن دمای همزن مغناطیسی به 60 درجه رسید و دو ساعت محلول در آن دما قرارگرفت که در این فرآیند یک پودر کرم رنگ حاصل شد. سپس 20 میلیلیتر دیاتیلاتر به آن اضافه و در دمای 50 درجه خشک و در مدت 24 ساعت سه بار این فرایند تکرار شد تا شبکه کریستالی آن تشکیل شود و خلوص آن نیز افزایش پیدا کند. در آخر یک پودر سفید رنگ حاصل شد.
2؛2 روش ساخت سلول خورشیدی
ساختار سلول در این پژوهش به صورت FTO/bl-TiO2/mp-TiO2/CH3NH3PbI3/Au است. ابتدا لایه نازکی از اکسید قلع آلاییده شده با فلوریین یا به طور مختصر FTO لایه نشانی شد و در ادامه با استفاده از پودر روی و اسید هیدروکلریک دومولار مقداری ازFTO لایه برداری شد. بعد از لایهبرداری، مراحل شستشوی سلولها انجام گرفت به این صورت که بهترتیب در محلول آب و صابون، آب دو باریونیزه شده، استون، متانول، مجددا آب دو بار یونیزه شده قرار داده شد.
در هر مرحله، ظرف حاوی سلولها، به مدت 20 دقیقه درون دستگاه حمام صوتی قرار گرفت. در ادامه به مدت 20 دقیقه در دمای 120 درجه سانتی گراد قرار دادهشد. برای لایه نشانی bl-TiO2 مقدار 1 سیسی از TiCl4 با 25 سیسی آب ترکیب و تحت دمای 70 درجه سانتی گراد به مدت 30 دقیقه درون دستگاه آون قرار داده شد تا لایه نشانی انجام شود. بعد از آن سلولها با آب دو بار یونیزه شده شسته و در دمای 500 درجه سانتی گراد درون کوره باز پخت شد. برای لایه نشانیmp-TiO2 ، خمیر تیتانیم اکساید با اتانول خالص به نسبت 1گرم به 3/5 گرم و قرار دادن در دستگاه حمامصوتی به مدت 18 دقیقه رقیق شد.
لایه نشانی به روش چرخشی با مقدار 140 میکرولیتر با سرعت 4000 دور بر دقیقه به مدت 60 ثانیه انجام گرفت. سپس در دمای 120 درجه سانتیگراد به مدت 20دقیقه خشک و پخت نهایی در دمای500 درجه سانتیگراد انجام شد. در مرحله بعد سربیدید لایهنشانی شد. برای تهیه محلول یک مولار از پودر زرد رنگ سرب یدید، 460میلیگرم از آن با 1 سیسی DMF خالص به مدت 12ساعت در دمای 70 درجه سانتیگراد روی دستگاه همزن مغناطیسی قرار گرفت. لایه نشانی سرب یدید به صورت چرخشی انجام شد. مقدار 70 میکرولیتر از محلول زرد رنگ روی سل ریخته و پیش از شروع چرخش به مدت 3 دقیقه به آن فرصت نفوذ داده شد.
بعد از گذشت این زمان، چرخش با سرعت 4000 دور بر دقیقه به مدت 60 ثانیه انجام گرفت و سپس به مدت 20 دقیقه در دمای 70 درجه سانتیگراد خشک شد. برای لایه نشانی CH3NH3I از سه نمونه سنتز شده استفاده شد. برای تهیه محلول مقدار 10 میلیگرم از CH3NH3I را با 1 سیسی ایزوپروپانول به مدت 20 دقیقه روی همزن مغناطیسی قرار گرفت. مقدار50 میکرولیتر از محلول بر روی سل چکانده و با سرعت 3000 دور بر دقیقه به مدت 60 ثانیه چرخیده شد. برای اصلاح سطح، 30 ثانیه پس از شروع چرخش مقدار 50 میکرولیتر ایزوپروپانول اضافه شد. در نهایت لایه به مدت 30دقیقه در دمای 70 درجه سانتی گراد خشک شد. آخرین مرحله ساخت سلول لایه نشانی طلا است که این کار با استفاده از دستگاه لایه نشانی تبخیری انجام شد.
نتایج و بحث
از مادههای سنتز شده XRD گرفته شد - شکل - 1 که نشان میدهد فاز پروسکایت و شبکه بلوری در هر روش تشکیل شده است. در روش اول بعضی از پیکهای کوچک وجود ندارد که نشانگر این است که بعضی از جهتگیرهای بلوری بطور کامل تشکیل نشده است .در نمونه سوم دیده میشود که شدت پیکها نسبت به نمودار اصلی کمتر است که نشان میدهد که جهتگیری صفحات کامل نیستند.
شکلXRD :1 از مواد سنتز شده CH3NH3I
با استفاده از دستگاه UV-VIS نمودار جذب لایه متیل آمونیوم یدید سنتز شده رسم شد.که با توجه به این نمودارها و با استفاده از محاسبات ،گاف انرژی برای مواد سنتز شده به ترتیب 2/36ev و 2/345ev و 1/92 ev اندازه گیریشد.
