بخشی از مقاله
چکیده
طول پخش محدود الکترونها مهمترین پارامتر در محدودیت عملکرد الکتریکی سلولهای نانوساختار است. به منظور رفع این مشکل از شبه ساختارهای دوبعدی به عنوان لایه فعال در سلولهای خورشیدی استفاده می شود. نتایج شبیهسازی و تجربی گروه ما نشان داده است که این نانوساختارهای متخلخل با ایجاد کانالهای ترابردی منحصر به فرد، ضریب پخش و طول پخش را به صورت قابل ملاحظهای افزایش می دهند و به همین دلیل موجب افزایش بهره گردآوری در ساختارهای شبه دوبعدی می شوند. این نانوساختارها ضمن داشتن مقطع مؤثر بالای جذب، عملکرد الکتریکی سلول را تقویت میکنند و نامزد مناسبی جهت ارتقاء بهره تبدیل توان در سلولها می باشند.
مقدمه
در سلولهای خورشیدی رنگدانهای، ترابرد الکترون از طریق فرآیند پخش در لایه متخلخل صورت میگیرد و بازترکیب الکترونها با الکترولیت، به طول پخش و بهره گردآوری محدود منجر میشود. افزایش بهره گردآوری منوط بر این میباشد که الکترونهای تزریق شده به فوتوالکترود قبل از بازترکیب، به مدار خارجی تزریق شوند. اگر مسیر ترابرد الکترونها، طوری جهتدهی شود که عمده پخش و حرکت الکترونها در راستای الکترود گردآوری - - z باشد، نرخ گردآوری الکترونها بهبود مییابد.
به طوری که تفکیک شبکه نیمرسانا به زیرشبکههای محصورشده در راستای عمود بر الکترود گردآوری، میتواند این انتظار را برآورده کند. زیرا الکترون با رسیدن به دیوارههای جانبی این زیرشبکه ها، تغییر مسیر داده و در راستای الکترود گردآوری به ترابرد خود ادامه خواهند داد.
شکل: 1 - الف - شبکه پیوسته. - ب - شبکه متشکل از ساختارهای شبه دوبعدی.
در شبکه پیوسته، الکترون در هر گام با احتمال مساوی میتواند در هر یک از شش جهت - شکل - 1الف - - حرکت کند ولی تنها یکی از این شش جهت، در راستای الکترود گردآوری میباشد. بنابراین احتمال گردآوری الکترون، برابر با 1 /6میباشد. ولی در ساختارهای شبهدوبعدی - شکل - 1ب - - ، الکترون در هرگام میتواند در هریک از چهار جهت ممکن حرکت کند و در نتیجه احتمال گردآوری الکترون1 /4 میباشد. بدین ترتیب انتظار داریم که با افزایش احتمال گردآوری الکترونها در ساختارهای شبه دوبعدی محصور شده نسبت به شبکه پیوسته، بهره گردآوری افزایش یابد. در ادامه به نحوه ساخت سلول های شبه دوبعدی توسط قالبهای سیلیکونی الگودار با پهنا و فواصل ستونی مختلف و سلولهای پیوسته و مشخصه یابی سلولهای ساخته شده میپردازیم.
ساخت الکترود آند برپایه ساختارهای شبه دوبعدی با استفاده از روش لیتوگرافی کاهشی، میکروساختارهای ستونی مختلفی با فواصل خالی بین ستونی 10 و 14 میکرون و پهنای ستونی 20، 30 و40 میکرون بر روی زیرلایه سیلیکونی که روی آن لایه ای از نیکل لایه نشانی شده بود، ایجاد کردیم. سپس در روش زدایش خشک - - RIE، نواحی از سیلیکون که توسط نیکل محافظت نمیشد، در معرض پلاسما قرار گرفته شد و از بین رفت و در نهایت قالب های سیلیکونی شانهای با ارتفاعی حدود 10 میکرون که در هر قالب پهنا و فاصله ی خالی بین ستونی با قالب دیگر متفاوت می باشد، تهیه شد. در شکل 2 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی یکی از قالبهای الگودار سیلیکونی نشان داده شده است.
شکل : 2 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی قالب سیلیکونی الگودار.
برای ایجاد ساختارهای شبه دوبعدی در لایه متخلخل دی اکسید تیتانیوم توسط قالب های سیلیکونی الگودار تهیه شده، بدین صورت عمل کردیم که پس از ایجاد لایه پیوستهای از خمیر به روش دکتر بلید بر سطح رسانای شیشه - FTO - و حرارت دادن آن در دمای 70 درجه سانتیگراد، قالب سیلیکونی را روی خمیر قرار دادیم و به آرامی فشار دادیم و سپس آن را از لایه جدا کردیم و ساختارهای شبه دوبعدی در لایه متخلخل ایجاد شد. در شکل 3 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی این میکروساختارهای ستونی مجزای نانوذرات در مقیاس های مختلف نشان داده شده است.
شکل: 3 - الف - ، - ب - و - پ - تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی ساختارهای شبه دوبعدی از زوایای مختلف.
پس از ایجاد ساختارهای شبه دوبعدی در سطح لایه، به منظور بازپخت آن را تا دمای 450 درجه سانتی گراد به مدت نیم ساعت درون کوره حرارت می دهیم و پس از خنک شدن لایه، آن را به مدت 20 ساعت درون محلول رنگدانه N719 قرار می دهیم. پس از 20 ساعت فوتوآند سلول آماده می شود.
ساخت سلول خورشیدی رنگدانه ای
برای آماده سازی کاتد، بر روی شیشه رسانا - FTO - دو عدد سوراخ برای تزریق الکترولیت ایجاد میکنیم و یک قطره از محلول پلاتین را بر روی شیشه رسانا قرار میدهیم. سپس با قرار دادن شیشه درون کوره و افزایش تدریجی دما، به لایه حرارت میدهیم. پس از خنک شدن، کاتد آماده میشود. این دو الکترود را توسط چسب حرارتی به هم متصل می کنیم و الکترولیت را به سلول تزریق می کنیم و سوراخ ها را می بندیم. بدین ترتیب سلول های شبه دوبعدی مختلف و پیوسته نانوذرات را تهیه کردیم.
مشخصه یابی و نتایج عملکرد سلول خورشیدی
آنالیز اختلال کوچک در ولتاژ و جریان، توسط دستگاه ساخته شده در گروه ما انجام شده است. در آزمون اختلال کوچک در جریان بدین صورت عمل می کنیم که پس از آنکه سلول در شرایط مدار-کوتاه تحت تابش چشمه نور اصلی به حالت پایا رسید، اختلال کوچکی در جریان سلول وارد می کنیم. با اندازهگیری زمان ترابرد
: t - که برابر است با مدت زمانی که طول میکشد الکترون تزریق شده از رنگدانه به نیمرسانا، به شیشه رسانا - FTO - منتقل شود - از منحنی تغییرات جریان برحسب زمان، حاصل از اختلال و استفاده رابطه 1 ضریب پخش الکترون بدست می آید.
در رابطه بالا d برابر با ضخامت لایه متخلخل برحسب میکرون است. نمودار ضریب پخش برحسب چگالی بار نمونه های شبه دوبعدی و پیوسته نانوذرات در شکل 4 ارائه شده است. به طور کلی در منحنی های اندازه گیری شده در پرانتز جلوی اسم هر نمونه، عدد اول از سمت چپ بیانگر فضای خالی بین ستونی و عدد دوم برابر با پهنای ستون ها می باشد.
شکل: 4 منحنی ضریب پخش برحسب چگالی الکترونها، استخراج شده از آزمون اختلال کوچک در جریان.
باتوجه نمودار4 در چگالی بالای الکترونی ضریب پخش در نمونه های شبه دوبعدی نسبت به نمونه پیوستهای از نانوذرات افزایش چشمگیری یافته است. در واقع در چگالی بالای الکترونی بدلیل افزایش تعداد الکترون ها، احتمال اینکه الکترونها در ساختارهای محصور شده پس از برخورد با یکدیگر در جهت الکترود گردآوری ترابرد یابند، افزایش می یابد. به همین دلیل ضریب پخش در ساختارهای شبه دوبعدی افزایش یافته است.
برای بررسی دقیقتر آزمون اختلال کوچک در ولتاژ را که سلول در شرایط مدار- باز تحت تابش چشمه نور اصلی به حالت پایا میرسد و اختلالی در سلول ایجاد میکنیم را انجام می دهیم - البته باید توجه داشت که اختلال وارد شده به سلول باید کمتر از 5 درصد تابش اولیه باشد تا سطح شبه فرمی تغییر زیادی نکند - . با برازش معادله 2 به منحنی تغییرات ولتاژ مدار- باز برحسب زمان حاصل از اختلال، طول عمر و ضریب پخش الکترون برحسب ولتاژ مدار- باز سلول بدست می آید.
در رابطه بالا Dn برابر با ضریب پخش، CTio2 برابر با ظرفیت خازنی لایه، d ضخامت لایه برحسب میکرون و n برابر با طول عمر الکترون ها می باشد. منحنی های طول عمر و ضریب پخش برحسب ولتاژ مدار- باز بدست آمده از آزمون اختلال کوچک در ولتاژ در نمودار 5 نشان داده شده است. نتایج آزمون فوق نیز مطابق با نتایج آزمون اختلال کوچک در جریان، بیانگر افزایش ضریب پخش در چگالی بالای الکترونی در ساختار های شبه دوبعدی محصورشده نسبت به نمونه پیوسته به دلایل ذکرشده می باشد که در نمودار 5 - الف - نشان داده شده است. باتوجه به نمودار 5 - ب - بدلیل افزایش تماس الکترون ها با یون های تری یدید الکترولیت در ساختارهای محصورشده نسبت به پیوسته، طول عمر الکترونها کاهش یافته است.
