مقاله رشدهایدروترمال نانو میله های TiO 2 بر سطح لایه ای از نانو ذرات TiO2 واستفاده از آن به عنوان فوتوآند سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی CdS/ZnS .

بخشی از مقاله

چکیده

در این پژوهش از نقاط کوانتومی CdS به عنوان حساس کننده و نقاط کوانتومی ZnS به عنوان لایه غیر فعال ساز در سلول های خورشیدی نانو ساختاری مبتنی بر TiO2 استفاده شده است. نانو ذرات TiO2 تهیه شده به روش هایدروترمال به عنوان فوتوآند بر سطح زیر لایه شیشه/هادی شفاف جایگذاری می گردند.در ادامه نانومیله های TiO2 با جهت های تصادفی در طی یک فرآیند هایدروترمال ثانویه بر سطح لایه نانو ذره ای TiO2 جایگذاری می شوند.

به منظور حساس سازی فوتوآند، نقاط کوانتومی CdS به روش جذب متوالی لایه های یونی و انجام واکنش - SILAR - بر سطح فوتوآند رشد داده می شوند. به منظور بهبود بازدهی سطح فوتوآند با یک لایه از نانوذرات ZnS به عنوان لایه محدود کننده حرکت حفره نیز پوشانده می شود. نتایج نشان داد که سلول خورشیدی با فوتوآند حساس شده با نقاط کوانتومی CdS در طی 4 دوره لایه نشانی و لایه غیر فعال کننده ی ZnS در دو سیکل لایه نشانی دارای پارامترهای فوتوولتایی چگالی جریان اتصال کوتاه9.06 mA/cm2 ولتاژ مدار باز650mV و بازدهی %2.9 میباشد.

مقدمه

محدود بودن منابع انرژی فسیلی و مشکلات ناشی از انتشار گازهای گلخانه ای، ضرورت توجه بیش از پیش به انرژی های تجدید پذیر را نمایان می سازد. از میان انرژی های تجدید پذیر انرژی خورشیدی یکی از بزرگترین منابع انرژی در جهان است. سلول های خورشیدی ابزاری هستند که نور خورشید را بر طبق اثر فوتوولتاییک به جریان الکتریسیته تبدیل می کنند. سلول های خورشیدی در سه نسل دسته بندی می شوند. نسل سوم سلول های خورشیدی شامل تمامی سیستم های فوتوولتایی است که از انواع ساختارهای نانومتری استفاده می کنند. از مهمترین انواع این دسته از سلولهای خورشیدی می توان به سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی اشاره کرد.

توجه به این دسته از سلول ها به دلیل ویژگی های خوب اپتیکی نقاط کوانتومی نیمه رسانا و هم چنین ضریب جذب بالا، پایداری نوری و خواص نوری وابسته به اندازه آن ها میباشد.[1]از جمله نقاط کوانتومی که به عنوان حساس گر در در سلول های فوتوولتائیکی استفاده می شود می توان به ,CdSe , CdS PbS , PbSe وCdTe و... اشاره کرد.[1,2]انتخاب مناسب نقاط کوانتومی به عنوان جاذب های نوری در این دسته از سلول ها می تواند باعث بهبود عملکرد و انتقالات الکترونی در سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی شود.

نقاط کوانتومی CdS به دلیل مشابه بودن ساحتار کریستالی آن با TiO2 وسنتز آسان وارزان به عنوان یکی از مناسب ترین جاذب های نوری در سلول های خورشیدی به کار گرفته می شوند این نانو ذرات با گاف انرژی در حدود 2.4 ev نور با طول کوج هایی کمتر از 500nm را جذب می کنند.[3] علاوه بر حساس گر، مورفولوژی وساختار مواد فوتوآند یکی دیگر از فاکتور های مهم در در ویژگی های فوتوولتاویکی سلول های خورشیدی میباشد.

از جمله موادی که برای فوتوآند استفاده می شود تیتانیوم دی اکسید - TiO2 - و زینک اکسید - ZnO - و ترکیباتی از این مواد می باشد.[3] فوتوآند شامل نانو ذرات، سطح موثر بالایی برای جذب نقاط کوانتومی ایجاد می کند اما از طرفی نرخ انتقالات الکترونی آن پایین است.[4] در همین راستا به منظور رفع این مشکل از نانو ساختار های یک بعدی مانند نانو میله ها، نانو لوله ها و نانو فیبر ها وساختار های پراکننده ی نور مانند نانو کره های تو خالی و...،در فوتوآند این دسته از سلول های خورشیدی استفاده می شود.[5] لایه متشکل از این نانو ساختار های یک بعدی با داشتن مرز دانه های کمتر، مسیر مستقیمی را برای حرکت الکترون ها فراهم می کند.

بنابراین سرعت انتقال در این ساختار ها افزایش می یابد.هم چنین طول میکرونی نانو ساختار های تک بعدی پراکنندگی نور مناسبی رادر فوتوآند سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی ایجاد می کند، که می تواند تاثیر مثبتی بر بازدهی سلول داشته باشد.[5] تحقیقات مختلفی در زمینه رشد نانو میله های TiO2 و ZnO بر روی FTO و استفاده از آن ها در فوتوآند سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی انجام گرفته اند این تحقیقات به دستیابی به بازدهی در محدوده %0.5 تا %4 منجر گردیده است.

[5] با این وجود سطح موثر کم نانو میله ها افزایش بازدهی سلول های متشکل از آن ها را با مشکل مواجه کرده است.  در این تحقیق به منظور بهبود بازدهی از نانو میله های TiO2 در فوتوآند سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی CdS استفاده شده است.در نهایت نشان داده می شود که بازدهی تبدیل انرژی به مقدار 2.9 با استفاده از این ساختار های پراکننده در فوتوآند بدست می آید.

شرح آزمایش

در این پژوهش از نقاط کوانتومی CdS به عنوان حساس کننده در سلول های خورشیدی TiO2 استفاده می شود. نانوذرات TiO2 به روش هایدروترمال در یک محیط اسیدی و با پیش ماده 1TTIP تهیه می شود. برای تهیه خمیر شامل نانوذرات TiO2 ، مقادیری مشخص از پلیمر اتیل سلولز و ترپینئول را به محلول اتانولی شامل نانوذرات TiO2 اضافه شده و در حمام آب 40 درجه قرار می گیرد تا خمیر % 18 وزنی از نانوذرات آماده شود .[6] در نهایت با استفاده از این خمیر یک لایه از این نانوذرات با ضخامت 6 µm به روش دکتر بلید بر روی شیشه هادی شفاف FTO لایه نشانی می شود.

لایه متشکل از نانوذرات TiO2 لایه نشانی شده به صورت H1 نامگذاری می شود.سپس نانومیله های TiO2 بر روی لایه ی H1 به روش هایدروترمال رشد داده می شوند.بدین صورت که 25 ml آب یون زدایی شده را با 25 ml هیدروکلریک اسید غلیظ مخلوط می شود وپس از گذشت 10 دقیقه، 0.6 ml تیتانیوم تترا بوتیل تیتانات را به آن اضافه می شود وبه مدت 10 دقیقه هم می خورد.سپس زیر لایه های FTO و H1 درون اتوکلاوه قرار داده می شوند و محلول تهیه شده به آن اضافه می شود.

در نهایت اتو کلاو به منظور انجام فرایند هایدروترمال در زمان 6 ساعت در دمای 160 º C قرار می گیرد.پس از انجام فرآیند هایدروترمال لایه ها با آب یون زدایی شده شستشو می شوند و به عنوان فوتوآند سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی مورد استفاده قرار می گیرند. به منظور حساس سازی فوتوآند در این سلول های خورشیدی ، نقاط کوانتومی CdS به روش سیلار - SILAR - ٍ بر سطح فوتوآند رشد داده می شوند. در این فرآیند ابتدا فوتوآند را در محلول 0/1M از Cd - CH3COO - 2  در متانول قرار می دهیم. سپس فوتوآند را در محلول 0/1M از Na2S در متانول و آب یون زدایی شده قرار می گیرد.

نتایج و بحث

شکل 1  الف و ب تصاویر SEM مقطع عرضی از نمونه های شامل نانو میله های دی اکسید تیتانیوم - الف - و نانومیله های رشد داده شده بر سطح نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم - ب - را نشان می دهد.همانطور که مشاهده می شود طبق شکل 1 الف نانومیله ها به صورت عمودی بر روی زیر لایه هادی شفاف رشد یافته اند این در حالی است که نانومیله های رشد یافته بر سطح لایه ای از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم کاملا جهت دار شده و در راستا های مختلف قرار میگیرند. ضخامت نانو میله های رشد یافته بر سطح لایه ای از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم با ضخامت 6 m ، 1.9 mمی باشد.