بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش نانو ذرات پلیمرهای نیمرسانای پلیپیرول و پلیآنیلین تهیه شدند و در ساخت سلولهای خورشیدی رنگدانهای - DSSCs - مورد استفاده قرار گرفتند. پلاتین بهدلیل هدایت خوب و فعالیت کاتالیستی فوقالعادهای که دارد، بهعنوان الکترود شمارنده برای کاهیدن ترییدد - I3- - در سلولهای خورشیدی رنگدانهای بر روی بستر شیشه فلوئور آلائیده شده با قلع - FTO - لایهنشانی میشود. با وجود مزایای ذکر شده در بالا، پلاتین مادهای گران قیمت و کمیاب است و برای لایهنشانی به دمایی بالاتر از 400 OC نیاز دارد بهطوری که برای بسترهای انعطافپذیر مناسب نمیباشد. خصوصیات الکتریکی، الکتروشیمیایی و نوری پلیمرهای نیمرسانا سبب شده است که از آنها در ذخیرهسازی انرژی در سلولهای خورشیدی رنگدانهای با دمای پایین استفاده شود.
چند نمونه از این سلولها با نانوذرات پلیآنیلین و پلیپیرول بهعنوان الکترود شمارنده به روش-شیمیایی ، تهیه گردید.پس از بررسی خواص الکترواپتیکی در نقش الکترود شمارنده بهعنوان جایگزین برای پلاتین مورد استفاده قرار گرفتند. با توجه به پارامترهای بهدست آمده از مشخصات اپتیکی، از آنجایی که گافنواری انرژی نانوذرات پلیپیرول بزرگتر و رسانایی الکتریکی ضعیفتری را نسبت به نانوذرات پلیآنیلین نشان میدهد، بنابراین بازدهی بهدست آمده از منحنی مشخصه جریان-ولتاژ برای آن در مقایسه با بازدهی DSSCs بر پایه الکترود شمارنده آنیلین مقدار کمتری را نشان داد. همچنین از دستگاه میکروسکوپ الکترون روبشی جهت شکلشناسی نانوذرات پلیآنیلین و پلیپیرول استفاده گردید.
واژه های کلیدی: پلیپیرول، پلیآنیلین، الکترود شمارنده، پلیمرهای رسانا
مقدمه:
تقاضای انرژی جهان به طور فزایندهای همزمان با پیشرفت فناوری و اقتصاد در دنیا در حال افزایش است. اقتصاد انرژی هنوز به شدت وابسته به سه شکل از انرژی سوخت فسیلی نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ میباشد..[1]از طرفی مشکل بزرگ سوختهای ف سیلی انتشار گاز دیاکسیدکربن و درنهایت گرمشدن کره زمین است. بانرخ کنونی مصرف انرژی، تمام سوختهای فسیلی تا 200 سال آینده به اتمام خواهند رسید .[2] بنابراین استفاده از انرژی های تجدید پذیری مانند آب، باد و انرژی خورشید ضروری است. انرژی خورشید بر روی زمین جهت تامین گرما و الکتریسیته بهکار میرود و مستقیمترین راه تبدیل انرژی خورشید به الکتریسیته سلولهای خورشیدی میباشند. به دلیل برخی مشکلات از جمله هزینه تولید و مسائل زیست محیطی مربوط به بعضی از مواد بهکار رفته در ساخت سلول خورشیدی نسل اول و دوم، ایده و تلاش برای فناوری تولید مواد جدید افزایش یافته است.
یکی از این فناوریهای جدید ساخت سلول-های خورشیدی نسل سوم شامل سلولهای خورشیدی نانو ساختاری حساس شده به رنگدانه - DSSCs - است. با توجه به خواص فوقالعاده مواد پلیمری این مواد از قدیم نقش پررنگی در زندگی روزمره ما داشتهاند. کشف رسانندگی در پلیمرهای مزدوج زمینه ظهور مواد آلی و پلیمری را در قطعات الکترونیکی فراهم آورد.[6] مطالعات بر روی این دسته پلیمرها نشان میدهد که به علت خواص نوری، الکتریکی، مکانیکی و شیمیایی، این دسته از مواد گزینه مناسبی جهت استفاده در ادوات اپتوالکترونیکی هستند..[7] در بین پلیمرهای رسانا، از نظر پایداری و فرایندپذیری پلیمر، پلیآنیلین، پلیپیرول، پلیتیوفن و پلیایندول بیشتر مورد استفاده قرار گرفته است، و از میان آنها پلیآنیلین و پلیپیرول به دلیل تهیه آسان و مقرون بهصرفه بودن، مورد توجه خاص بودهاند.[8]این پلیمرها، یکی از پلیمرهای رسانای مهم با قابلیت های کاربردی بالا میباشند.
برخی از قابلیت های این پلیمرها، کاربرد آنها در باتری-های قابل شارژ، ابرخازنها، سنسورهای مولکولی و گازی، نمایشگرهای الکتروکرومیک و سایر قطعات الکترونیکی می باشد .[9]بهطور کلی، سلولهای خورشیدی حساس شده به رنگدانه شامل سه جزء اصلی فوتوآند، الکترولیت و کاتد - الکترود شمارنده - است. اما از آنجاییکه در ساخت کاتد این نوع از سلولهای خورشیدی از پلاتین استفاده میشود و پلاتین مادهای گران قیمت و کمیابی است و با توجه بهاینکه لایهنشانی پلاتین بر روی بسترهای شیشهای نیمرسانا به دماهای بالا احتیاج دارد، در این پژوهش، بهمنظور کاهش قیمت و هزینه، روش ساخت آسان، تولید در حجم بالا، ساخت سلولهای خورشیدی انعطافپذیر و سبک، پس از تهیه نانو ذرات پلیآنیلین و پلیپیرول و بررسی خواص الکترواپتیکی آنها، سلولهای خورشیدی رنگدانهای برپایه الکترود شمارنده پلیمری ساخته شد و مشخصه-جریان-ولتاژ آنها با DSSC با الکترود شمارنده مرجع پلاتین مقایسه گردید.
.1 نحوه آزمایش:
.1,1 مواد
آمونیوم پرسولفات - APS - ، هیدروکلرید اسید، سدیم دودسیل سولفات - SDS - ، ید - I2 - ، اتانول خالص و استون از شرکت Merck و رنگدانه - N719 - و شیشههای رسانای FTO با مقاومت ورقهای 8 sq-2 از شرکت Solaronix تهیه شدند. خمیر شفاف TiO2 با قطر تقریبی 20 nm، خمیر پراکننده TiO2، خمیر پلاتین و الکترولیت - I-/I3- - با کارایی بالا از شرکت شریف سولار خریداری شدند.مونومرهای پیرول و آنیلین پس از تقطیر در یخچال نگهداری شدند.
2,1 تهیه نانوذرات پلیآنیلین
4 میلی مول سدیم دودسیل سولفات با 10 میلیلیتر هیدروکلریک اسید 0/1 مولار ترکیب و به مدت یک ساعت همزده شد. طی فرایند همزدن، 4 میلیمول مونومر تقطیر شده آنیلین، قطره قطره به آن افزوده شد. در ظرفی دیگر، 3 میلیمول آمونیوم پرسولفات با 10 میلیلیتر هیدروکلریک اسید 0/1 مولار ترکیب و به محلول اولیه اضافه شد و در نهایت محصول بهمدت 4 ساعت تحت دمای 0-5 درجه سلسیوس همزده شد. رسوب بهدست آمده چندین بار با آبمقطر و اتانول خالص شستشو داده شد تا پلیمر خالصی حاصل شود. [7]
.3,1 تهیه نانو ذرات پلیپیرول
برای تهیه نانوذرات پلیپیرول، 1g ید جامد با 100 ml آبمقطر و 100 ml الکل ترکیب شد. سپس 1/5 ml مونومر پیرول، قطره قطره به آن اضافه شد و محلول بهمدت 48 ساعت درون حمام یخ در دمای4 OC در تاریکی قرار گرفت. در این مدت، محلول بهتدریج از صورتی به سبز تیره تغییر رنگ میدهد. رسوب حاصل بعد از عبور از کاغذ صافی به منظور حذف مونومرها و ناخالصیهای باقیمانده چندین بار با استون و اتانول شستشو داده شد . [6]
1,4 ساخت سلول خورشیدی حساس شده به رنگدانه
بهطور مختصر، ابتدا خمیر شفاف TiO2 بر روی زیرلایه FTO بهروش دکتر بلید لایهنشانی و تحت دمای 120 OC خشک شد. سپس، لایه پراکننده TiO2 بر روی آن لایهنشانی و بهمدت 30 دقیقه تحت دمای 500 OC پخت داده شد. فوتوآند تهیه شده درون محلول رنگدانه N719 بهمدت 24 ساعت قرار گرفت. بر روی شیشه رسانای FTO دیگری پلیمرهای پلیپیرول و پلیآنیلین بهعنوان الکترود شمارنده بهروش لایهنشانی چرخشی نشانده شدند. دو الکترود با گیره به هم وصل شد و الکترولیت مایع I-/I3- بین آنها تزریق شد. به-منظور مقایسه، خمیر پلاتین بر روی شیشه رسانای FTO به روش دکتر بلید بهعنوان الکترود شمارنده تحت دمای 400 OC پخت داده شد .>4@
.2 نتایج و بحث
.1,2 طیف جذب پلیمرها
طیف جذب برای هر دو پلیمر در شکل 1 رسم شده است. آستانه جذب بهدلیل برهمکنش قوی بین الکترونهای رسانش و فوتونهای فرودی برای پلیآنیلین و پلیپیرول بهترتیب در طول موجهای 344 nm و 332 nm مشاهده میشود. همچنین با توجه به شکل، تشکیل حالتهای پلارون برای پلیآنیلین در طول موج 446 nm و برای پلیپیرول در طول موج 370 nm به سبب دوپه شدن، اتفاق افتاده است.
.2,2 رسانایی اپتیکی
رسانایی اپتیکی پارامتر دیگری است با استفاده از طیف عبور پلیمرها با استفاده از رابطه زیر محاسبه میشود .[]در رابطه بالا، ضریب جذب، c سرعت نور در خلا و n ضریب شکست ماده است. [4]از شکل 2 واضح است که رسانایی اپتیکی نانوذرات پلیآنیلین از پلیپیرول بیشتر است.
