بخشی از مقاله
چکیده:
ویژگیهای منحصربفردی چون فراوانی و دردسترس بودن ، قیمت مناسب و سازگار محیط زیست بودن به همراه خواص الکتریکی و اپتیکی، مواد کربنی ومشتقات آن را بهعنوان یک الکترود پرکاربرد در سلولهای خورشیدی مورد توجه قرار میدهد. در این مقاله خمیر کربنی به عنوان الکترود کاتد به منظور استفاده در سلولهای خورشیدی پروسکایتی با استفاده از فرایندهای قابل پرینت کردن ساخته و مورد بررسی قرار گرفتند این روش ها که بر پایه استفاده از مواد طبیعی همچون برگ کاج و گیاه کتیرا به عنوان ماده چسبنده مورد استفاده قرا گرفتند ، علاوه بر سادگی ، از نظر زیست محیطی هم قابل توجه اند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی و آنایز پراش اشعه ایکس تنوع اندازه ذرات ، مورفولوژی و لایه بندی هر یک از روش های بکار گرفته را نشان می دهد. از نتایج ابن تحقیق به منظور ساخت الکترودهای کاتد بر پایه کربن طبیعی در سلولهای خورشیدی پروسکایتی بهره برداری خواهد شد.
واژه های کلیدی: الکترود کربن شمارشگر، مواد کربنی، سلولهای خورشیدی پروسکایت
مقدمه
پروسکایت هالید آلی فلزی CH3NH3PbI3 اولین بار در سال 2009 به منظور استفاده در سلولهای خورشیدی فوتوولتایی که معروف به سلولهای خورشیدی پروسکایتی هستند توسط کوجیها و همکارانش معرفی گردید .[1] با اینحال سلهای خورشیدی پروسکایتی CH3NH3PbI3 بهعنوان جاذب نور تا سال 2012 مورد توجه زیادی قرار نگرفت تا زمانیکه راندمان تبدیل آنها در حضور انتقال دهنده حفره - HTM - با نام تجاری Spiro-OMeTAD به حدود %10 رسید 3]،.[2 در سالهای اخیر سلول-های پروسکایتی زیادی با روشهای مختلف مانند رسوب متوالی و رسوب بخارگزارش شده است به طوریکه بالاترین میزان راندمان در سال 2015 به %20/1 رسید .[4]
تکامل سریع سلول-های خورشیدی پروسکایتی از ویژگیهای ذاتی CH3NH3PbI3 مانند باند گپ مستقیم، ضریب جذب بالا، تحرک حامل بار، طول پراکندگی و نشر بالا، انتقال بار دو قطبی ناشی میشود. علیرغم پیشرفت سریع در راندمان این سلولها، مشکلات زیادی برای سلولهای خورشیدی پروسکایتی همچنان وجود دارد که مانع کاربرد عملی آنها میشود که عبارتند از: قیمت بالای HTM و فرایند رسوب بخار گرمایی. بیشتر سلولهای خورشیدی پروسکایتی بسیار کارآمد، حاوی HTM گران قیمت است که عمدتا هزینههای تولید را افزایش میدهد. سلولهای خورشیدی پروسکایتی فاقد HTM این مشکلات را تا حدودی مرتفع می-کنند. به عنوان مثال، ایتگار و همکارانش اولین بار سل خورشیدی TiO2/CH3NH3PbX3 با راندمان %5/5 بدون HTM سنتز کردند .[5]
منگ و همکارانش هم همچنین سلول خورشیدی بدون HTM گزارش کردند و تایید کردند که سلول TiO2/CH3NH3PbX3/Au یک سلول چند اتصالی میباشد .[6] به دلیل عملکرد خوب طلا، در سلولهای خورشیدی پروسکایت بدون HTM از طلا به عنوان الکترود کاتد استفاده میشود. اما الکترود کاتد طلا توسط رسوب بخار گرمایی خلا ساخته میشودکه این فرایند پیچیده و دشواری میباشد. امروزه طلا هنوز بهترین ماده برای الکترود پشتی در سلولهای خورشیدی پروسکایت فاقدHTM میباشد که دلیل آن هدایت الکتریکی بالا و سازگاری عملکرد آن با پروسکایت CH3NH3PbI3 میباشد. اما از طرفی سلولهای پروسکایتی فاقد HTM که بر پایه خمیر کربنی ساخته می شوند به دلیل مزایایی چون کم هزینه بودن، فراوانی آن،سازگار با محیط زیست و پایدار بودن آن مورد توجه بسیاری قرار گرفته اند علاوه بر قیمت پایین کربن ، از ویژگی های منحصربفرد تابع کار حدود -5eV است که بسیار نزدیک به طلا -5/1eVمیباشد .[7]
از طرفی رسانایی کربن تا حدودی پایین میباشد به همین دلیل از گرافیت برای افزایش رسانایی استفاده می-گردد.گرافیت به دلیل مزایایی مانند میزان هدایت الکتریکی بالا و قیمت مناسب در سالهای اخیر از پرکاربردترین ماده افزودنی برای افزایش هدایت در خمیر کربنی میباشد. با افزایش درصدگرافیت چسبندگی به سطح کاهش مییابد که این کاهش میزان چسبندگی به سطح را میتوان اینگونه توجیه کرد: از آنجاییکه پلیمر اضافه شده به مخلوط کربن و گرافیت باعث چسبندگی آن می شود، افزایش ذرات گرافیت در ساختار پلیمر باعث میشودگروههای عاملی با سطح پیوند برقرار نکنند و در نتیجه به سمت ذرات گرافیت جذب فیزیکی گردند که این اثر توجیه کننده کاهش چسبندگی به سطح است .[8]
در این مقاله خمیر کربن به روشهای ساده و مقرون به صرفه تهیه گردید تصاویر میکرسکوپ الکترونی و پراش اشعه ایکس خمیر های کربنی بدست آمده مورد شناسایی و مطالعه قرا گرفت. در اینجا برای تهیه کربن از پیرولیز گیاه کاج استفاده و برای ایجاد چسبندگی نیز از گیاه کتیرا استفاده شده است - واکنش کاملا سبز - .جوش ریخته میشود و بعد یک شبانه روز ژل کتیرا آماده می-گردد - . خمیر همگن بدست آمده از طریق روش داکتر بلد روی شیشه قرار گرفت در انتها نمونه به مدت نیم ساعت در دمای 100درجه قرار میگیرد تا به عنوان کاتد در سلولهای پروسکایتی مورد استفاده قرارگیرد. برای تهیه نمونه شماره 2، خمیر کربن حاصل از پیرولیز درخت کاج استفاده گردید.
این گیاه تحت گاز نیتروژن در دمای 550 درجه سلسیوس به مدت 45 دقیقه قرار میگیرد و بعد از سرد شدن در هاون پودر میگردد سپس یک گرم از این کربن با مقدار مناسب آب مخلوط گردید و بعد از مخلوط شدن در هاون برای ایجاد چسبندگی بین ذرات از ژل کتیرا به اندازه 0/3 گرم استفاده گردید خصوصیت نامطلوب الکترودهای خمیرکربن حضور اکسیژن حبس شده در خمیر میباشد که به همراه ذرات کربن وجود دارد یا در جریان تهیه خمیر در آن وارد می شود برای حل این مشکل به خمیر کربن چند قطره روغن اضافه میکنیم و بعد خمیر کربن روی سطح قرار میگیرد. نمونه شماره 3نیز همانند روش مربوط به نمونه شماره 1 تهیه گردید با این تفاوت که در آن از تریتون ایکس - 0/03 ml - 100 بهعنوان چسبنده استفاده گردید. برای تهیه نمونه شماره 4، الکترود خمیر کربن با نسبت 1 به 3 از کربن و گرافیت نیز تهیه گردید. در این روش نیز از ژل کتیرا برای چسبندگی استفاده شد - شکل . - 1
بخش تجربی
نمونههای تهیه شده در جدول 1 آمده است.برای تهیه نمونه شماره 1 که حاوی کربن بلک خریداری شده و ژل کتیرا به عنوان چسبنده میباشد 1 گرم از کربن را با مقدار مناسب آب مقطر در هاون مخلوط شد وسپس برای ایجاد چسبندگی بین ذرات کربن از 0/3 گرم ژل کتیرا استفاده گردید - برای تهیه ژل کتیرا مقدار مناسب از برگ کتیرا در داخل آبژل کتیرا میباشد دارای اندازه ذرات حدود 853 نانومتر می-باشد که بهصورت تقریبا یکنواخت، بی شکل و فشرده روی سطح قرار گرفته است اندازه ذرات در این الکترود کوچکتر از بقیه الکترودهای کربنی و به صورت لایهای میباشد. در الکترود 2 اندازه ذرات درشت و غیر یکنواخت در رنج تقریبی 0/728-3/72 میکرون و نیز شکل ذرات شبه صفحهای میباشد فشردگی در این الکترود کمتر و منافذ خالی در آن بیشتر از الکترود 1 میباشد بنابراین مساحت سطح در الکترود 1 بزرگتر میباشد که مورفولوژی، مساحت سطح و فشردگی ذرات بر روی عملکرد کاتد تاثیر خواهد گذاشت.
نتیجهگیری
پس از بررسی ظاهری الکترود های تهیه شده بر روی شیشه ، می توان با اطمینان، تفاوت قابل مشاهدهای در رنگ و بافت الکترودهای بدست آمده از کربن بلک خریداری شده و کربن بدست آمده از پیرولیز را تایید کرد. رنگ الکترود کربن بدست آمده از پیرولیز تیرهتر و بافت آن نرمتر میباشد - شکل. - 2 برای مقایسه اثر ماده چسبنده روی ساختار الکترود کربنی نمونهها با هر دو نوع چسبنده - ژل کتیرا و تریتون ایکس - 100 تهیه گردیدند.
