بخشی از مقاله
در این پژوهش، نانوکامپوزیت متخلخل ZnO/MWCNT و نانوذرات ZnO با استفاده از چارچوب آلی-فلزی Zn تهیه شدند. ساختار، مورفولوژی و سایز نانو ساختارها با استفاده از الگوی پراش - XRD - و تصاویر SEM آنالیز شدند. اثر MWCNT بر روی عملکرد سلول فوتوولتائیک رنگدانهای مورد بررسی قرار گرفت. سلول خورشیدی رنگدانهای بر پایه فوتوآند ZnO/MWCNT، جریان مدار کوتاه 23,89 mA cm-2، ولتاژ مدار باز - V - 0,68، و بازده تبدیل فوتون به الکتریسیته %4/78 را نشان داد، که در حدود %15 بیشتر از بازده بهدست آمده از سلول خورشیدی بر پایه فوتوآند ZnO با بازدهی %4/06 است. افزایش بازدهی را میتواند به افزایش رسانندگی الکتریکی در نیمرسانا و کاهش بازترکیب الکترون-حفره در مرز الکترولیت/فوتوآند با ترکیب MWCNT با نانوذرات ZnO نسبت داد.
-1 مقدمه
شبکههای آلی-فلزی ساختارهایی منظم حاصل پیوند مواد معدنی و آلی با یکدیگر هستند که بهدلیل قابلیت کاربرد در زمینههای مختلف، سالهاست که مورد توجه محققین در بخشهای مختلف صنعت قرار گرفتهاند .[1] کاربردهای گوناگون این مواد بهدلیل برخی ویژگیهای منحصر به فرد آنها نظیر سطح آزاد بالا، استحکام حرارتی و مکانیکی مناسب، چگالی پایین و تخلخل بسیار بالا در فرایندهای مختلف رو به افزایش است .[2] مساحت سطح ویژه بالا و حفرات منظم، این مواد را گزینه مناسبی بهعنوان ماده اولیه در تهیه اکسیدهای فلزی مطرح کرده است .[3] فوتوآند متخلخل در سلولهای خورشیدی رنگدانهای - DSSCs - اکسیدهای فلزی نیم-رسانایی با ضخامت کمتر از 20 میکرون مانند TiO2,ZnO…… هستند.مولکولهای رنگدانه بر روی نانوذرات اکسید فلزی قرار می-گیرند تا نور خورشید را جذب کنند و الکترون را به ساختار فوتوآند تزریق کنند.
هر چه سطح مقطع نانوذرات اکسید فلزی در فوتوآند بیشتر باشد مولکولهای رنگدانه بیشتری در ساختار قرار میگیرد و در نتیجه الکترون بیشتری در سلول تولید میشود. این پدیده سبب افزایش جریان تولیدی و در نتیجه افزایش میزان بازدهی میشود. [4] روشهای شیمیایی زیادی بهمنظور افزایش سطح مقطع نانوذرات اکسید فلزی وجود دارد که خود مشکلاتی را بههمراه دارند، اما به نظر میرسد تهیه اکسیدهای فلزی از پیش ماده اولیه شبکه آلی-فلزی راه حل بسیار مفیدی در افزایش سطح موثر در ساختارهای اکسید فلزی باشد .[5] در این پژوهش بهمنظور افزایش تخلخل در نانوساختار اکسید فلزی - ZnO - ، از شبکه آلی-فلزی بهعنوان پیش ماده اولیه استفاده شد. همچنین، جهت افزایش رسانایی نانوساختار ZnO، نانولولههای کربنی چندجداره - MWCNT - به آن اضافه شد و اثر افزودن MWCNT بر عملکرد فوتوولتائیک DSSCs مورد مطالعه قرار گرفت.
1؛1 اصلاح MWCNT
0, 6 g، MWCNT - قطر 10 nm؛ - 20 درون 100 ml محلول اسیدی شامل نیتریک اسید و سولفوریک اسید به نسبت 3 به 1 ریخته شد. سپس تحت دمای 80 œC بهمدت 3 ساعت قرار گرفت و پس از سانتریفیوژ و چندین بار شستشو با آب دیونیزه در دمای 70 œC بهمدت 24 ساعت خشک شد .[6]
1؛2 تهیه نانوساختار متخلخل ZnO/MWCNT
3,35 mg، MWCNT اصلاح شده و 150 mg پلی وینیل پیرولیدن درون 50 ml متانول خالص ریخته شد و بهمدت یک ساعت تحت آلتراسونیک قرار گرفت. سپس 734 mg، ZnNO3.6H2O به آن اضافه و به مدت یک ساعت همزده شد - محلول . - 1در ظرفی دیگر mg 810، 2-methylimidazol درون 50 ml متانول ریخته شد - محلول . - 2 محلول 2 به محلول 1 افزوده و به مدت 12 ساعت در دمای اتاق نگه داشته شد. رسوب حاصل پس از سانتریفیوژ و شستشو با متانول، بهمدت 12 ساعت تحت دمای 80 œC خشک و در دمای œC 500 - رنج - 2œC/min بهمدت 2 ساعت در شرایط محیطی پخت داده شد.
بهمنظور مقایسه، نانوذرات ZnO نیز به همین روش بدون MWCNT تهیه گردید. شکل 1، فرایند تشکیل و شکل 2 تصاویر SEM نانوکامپوزیت متخلخل ZnO/MWCNT و نانوذرات ZnO را نشان میدهد. با استفاده از تصاویر SEM ، قطر نانوکامپوزیت ZnO/MWCNT در حدود 200 nm و ZnO در حدود 90 nm؛100 تخمین زده شد. شکل 3 الگوی پراش را برای هر دو نمونه نشان میدهد. مشاهده میشود که الگوی پراش دارای قلههایی است که نمایشگر صفحات - 100 - ، - 002 - ، - 101 - ، - 102 - ، - 110 - ، 103 - - ، - 200 - ، - 112 - و - 201 - میباشد. این صفحات ساختار هگزاگونال ZnO را تائید میکنند. همچنین، الگوی پراش برای نانوکامپوریت متخلخل ZnO/MWCNT پیکی در 26,5° مربوط به MWCNT را نشان میدهد در حالی که این پیک برای نانوذرات کریستالی ZnO وجود ندارد.[6]
-2روش آزمایش
2؛1 تهیه خمیر نانوکامپوزیت متخلخل ZnO/MWCNT
0,8g، پودر ZnO/MWCNT درون 10 ml اتانول خالص ریخته و بهمدت 15 دقیقه آلتراسونیک شد. پس از آن 3,24 g، - terpineol به آن اضافه شد و به مدت 30 دقیقه تحت التراسونیک قرار گرفت. در مرحله بعد، 0,24 g اتیلن سلولز در 3,76 g اتانول به محلول اول افزوده و به مدت 30 دقیقه آلتراسونیک شد. جهت تهیه خمیر با ویسکوزیته مناسب، با استفاده از دستگاه تبخیر کنندهدورانی در دمای 50 °C به مدت 20 دقیقه، اتانول موجود در خمیر حذف شد. خمیر ZnO به همین روش تهیه شد، با این تفاوت که بهجای پودرZnO/MWCNT از پودر ZnO استفاده گردید. [7]
2؛2 ساخت فوتوآند
بهمنظور ساخت فوتوآند، پس از شستشوی کامل لایههای FTO با آب مقطر، استون و اتانول، برای جلوگیری از بازترکیب ، زیرلایهها به مدت 90 دقیقه در محلول 40 mM، TiCl4 قرار داده شدند. پس از لایهنشانی لایه سد کننده، خمیر حاوی ZnO/MWCNT و ZnO با استفاده از روش دکتر بلید بر روی زیرلایهها نشانده شد. در شکل 4 شمایی از لایهنشانی نانوکامپوزیت ZnO/MWCNT و ترازهای انرژی DSSC نشان داده شده است. نمونهها پس از خشک شدن در آون در دمای 120 œC، جهت حذف پلیمرهای موجود در خمیر به-مدت 30 دقیقه در دمای 500 œC تحت حرارت قرار گرفتند. در مرحله بعد لایهها در محلول 0,5 mM، N719 بهمدت 24 ساعت قرار داده شدند.[7]
