بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش اثر آلایش الکترود نوری استاندارد تیتانیوم دی اکسید سلولهای خورشیدی رنگدانهای با یون نئودیمیم با درصدهای متفاوت 0 - ، 0/8 و 2/4 درصد - مورد مطالعه قرار گرفت. تیتانیوم دی اکسید و تیتانیوم دی اکسید آلایش یافته با نئودیمیم به روش هیدروترمال تهیه شده و آزمایش پراش اشعه ایکس ایجاد فاز آناتاز برای هر سه نمونه را نشان میدهد. مشخصهیابی الکتریکی نمونهها از طریق آزمایش مات-شاتکی نشان میدهد که با افزایش آلایش چگالی حاملهای بار در تیتانیوم دی اکسید افزایش مییابد.
نتایج حاصل ازمنحنیهای جریان-ولتاژ سلولهای خورشیدی رنگدانهای ساخته شده نشان میدهد که آلایش سبب افزایش بازدهی سلول از%6/87 به %7/41 شده و بهینهی درصد آلایش 0/8 درصد مولی است. نتایج مشخصهیابی سلولها حاکی از آن است که این افزایش به دلیل کاهش زمان ترابرد الکترون در لایه فعال الکترود نوری نمونهی با 0/8 درصد آلایش به دلیل جانشینی یون نئودیمیم به جای تیتانیوم در شبکه تیتانیوم دی اکسید میباشد. در مقدار آلایش بالاتر از 0/8 درصد، این زمان به دلیل افزایش ناخالصی و ایجاد نقایص افزایش مییابد.
یکی از معایب الکترود تیتانیوم دی اکسید داشتن تلههای سطحی زیاد در مسیر ترابرد الکترون است. برای حل این مشکل راه حلهایی پیشنهاد شده اما مؤثرترین روش ایجاد مقادیر کم ناخالصی در تیتانیوم دی اکسید است. آلایش الکترود نوری تیتانیوم دی اکسید با عناصر فلزی مانند نیوبیوم و سریم 3]و[4 و عناصر غیر فلزی مانند نیتروژن [5] ،برحسب مورد، باعث افزایش چگالی حاملهای بار و یا به طور معادل کاهش تله- های موجود در گاف انرژی تیتانیوم دی اکسید شده و انتقال بار و در نتیجه بازدهی سلول بهبود مییابد. در این تحقیق، به منظور بررسی اثر آلایش، برای اولین بار تیتانیوم دی اکسید و تیتانیوم دی اکسید آلایش یافته با نئودیمیم با درصدهای گوناگون به روش هیدروترمال تهیه شده و آنالیز ساختاری و اپتیکی روی نمونهها انجام شده است. سپس از آنها به عنوان الکترود نوری سلولهای خورشیدی رنگدانهای استفاده شده و میزان بهینهی آلایش تعیین شده است.
مواد و روش
نانوذرات تیتانیوم دی اکسید و تیتانیوم دی اکسید آلایش یافته با نئودیمیم با درصدهای مولی 0، 0/8 و 2/4 به روش هیدروترمال تهیه شده و سپس از آنها خمیر تهیه شد .[6] خواص ساختاری نمونهها توسط دستگاه پراش اشعهی ایکس - ساخت شرکت - STOE و میکروسکوپ الکترونی روبشی - ساخت شرکت - TESCAN انجام شد. آزمایش مات-شاتکی با استفاده از یک سیستم سه الکترودی شامل لایهی تیتانیوم دی اکسید بر روی فویل تیتانیوم، الکترود مرجع Ag/AgCl، الکترود شمارنده پلاتین، محلول 0/5 مولار سولفات سدیم به عنوان الکترولیت و دستگاه اتولب - مدل - PGSTAT302N انجام شد.
در ساخت این سلول- های خورشیدی از شیشههای رسانای - 15 VT-1 - FTO استفاده شده و عملیات - 40 mM - TiCl4 در دمای 70 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه بر روی آنها انجام شد. خمیرها به روش دکتر بلید بر روی زیرلایه لایهنشانی شدهاند - مساحت سطح فعال: - 0/25cm2 و طی یک فرآیند دمایی در دمای 450 درجه سانتیگراد قرار گرفتند. بعد از آن بار دیگر عملیات TiCl4 بر روی لایهها صورت گرفته و در دمای 80 درجه سانتیگراد در محلول رنگ - 0/5 mM - N719 به مدت 18 ساعت قرار گرفتند. الکترود مقابل پلاتین نیز با قطره ای از محلول 5 mM - H2PtCl6 در اتانول - بر روی FTO و قرار گرفتن به مدت 30 دقیقه در دمای 450 درجه سانتیگراد آماده شده اند.
سپس فوتوآند و کاتد توسط سیلنت روی هم قرار گرفته و بین آنها با محلول الکترولیت یدی ELT- - CAN-I، ساخت - Sharif Solar پر شد. سلولهای رنگدانهای ساخته شده با لایههای مزومتخلخل تیتانیوم دی اکسید آلایش یافته با نئودیمیم با درصدهای 0، 0/8 و 2/4 به ترتیب Nd0، Nd0.8 و Nd2.4 نامگذاری شد. مشخصه یابی ولتاژ-جریان سلولها با استفاده از دستگاه شبیه ساز خورشید - Sharif Solar - انجام شد. اندازه گیری زمان ترابرد الکترون نیز توسط دستگاه IVUM انجام گرفته است.
نتایج و بحث
شکل -1الف طیف پراش اشعه ایکس نمونههای Nd0، Nd0.8 و Nd2.4 را نمایش میدهد. مطابق این شکل هر سه نمونه دارای تیتانیوم دی اکسید با فاز آناتاز هستند و با افزایش آلایش تغییر معناداری در الگوی پراش مشاهده نمیشود. با توجه به اینکه فاز آناتاز به دلیل داشتن گاف انرژی در حدود 3/2 الکترون ولت و در نتیجه سطح تراز فرمی بالاتر نسبت به فاز روتایل - گاف انرژی:3/0 الکترون ولت - ولتاژ مدار باز بیشتری ایجاد می کند [7]، عدم تغییر در فاز کریستالی مطلوب است. مورفولوژی حاصل از عکس میکروسکوپ الکترونی روبشی لایهی Nd0.8 به عنوان نمونه در شکل -1ب نشان داده شده است. اندازهی ذرات نمونهای که به این روش تهیه شده با استفاده از نرمافزار Measurement در حدود 20 10 نانومتر تخمین زده شد. دو نمونهی دیگر نیز اندازه-ی ذرات مشابه دارند.
عکس میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونهی .Nd0.8
برای آگاهی و اثبات آلایش یافتن تیتانیوم دی اکسید با نئودیمیم و اطلاع از خواص الکتریکی شامل چگالی حاملها و سطح تراز شبه فرمی لایههای Nd0، Nd0.8 وNd2.4 بر روی ورقهی تیتانیوم توسط آزمایش مات_شاتکی بررسی شد که نتایج آن در شکل 2 آمده است. در این آزمایش خازن شیمیایی لایهها بر حسب سطح تراز فرمی مطابق رابطه - 1 - محاسبه میشود .[8] در این رابطه C خازن شمیایی فضایی لایه، N چگالی حاملها، q بار الکترون، s ضریب دی الکتریک لایه، A مساحت سطح لایه، Vfb پتانسیل نوار تخت و KT برابر 25 میلی الکترونBولت در دمای اتاق است. بدین ترتیب عکس شیب نمودار معرف چگالی حاملها و عرض از مبدأ آن نمایشی از تراز شبه فرمی خواهد بود.
شکل 3 و جدول 1 به ترتیب مشخصههای فوتوولتائیک و مقادیر استخراج شده از آنها شامل جریان اتصال کوتاه - Jsc - ، ولتاژ مدار باز - Voc - ، فاکتور پرشدگی - FF - و بازدهی کل - - برای سلول-های خورشیدی ساخته شده با درصدهای مختلف آلایش نئودیمیم را نشان میدهد. مطابق شکل با افزایش آلایش تا میزان 0/8 درصد جریان اتصال کوتاه سلول از میزان 16/40 به 17/95 میلی آمپر بر سانتیمتر مربع افزایش یافته است که باعث افزایش 21 درصدی بازدهی شده است. این در حالی است که ولتاژ مدار باز تغییر قابل توجهی نداشته است. افزایش جریان میتواند به دلیل افزایش حاملهای بار موجود در نمونهی Nd0.8 نسبت به نمونهی Nd0 باشد.
