بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، نانو میله های عمودی دی اکسید تیتانیوم روی زیر لایه رسانای شفاف FTO به وسیله روش هایدروترمال رشد داده شده اند و این ساختارها به عنوان فوتوآند، در ساخت سلول خورشیدی رنگدانه ای مورد استفاده قرار گرفته اند. طول نانومیله ها به وسیله افزایش زمان رشد هایدروترمال در گستره زمانی 8 تا 24 ساعت کنترل شد. اثر زمان رشد روی بازدهی سلول خورشیدی رنگدانه ای بررسی شد. طول حداکثر 4,5 ʽm برای زمان رشد 20 ساعت به دست آمد. بیشترین بازدهی برای سلول خورشیدی بسته شده با فوتوآند نانومیله های رشد داده شده در زمان رشد 24 ساعت برابر با %1 /53 به دست آمد.
مقدمه
سلولهای خورشیدی نانوساختاری رنگدانهای، در سالهای اخیر توجه زیادی را به دلیل قیمت پایین، سازگاری با محیط زیست و ساخت آسان به خود معطوف کردهاند .[1] کارهای متعددی در بهبود بازدهی سلول خورشیدی رنگدانهای انجام شده است .[2-4] این کارها در حوزه های مختلف رنگ های حساس به نور، فوتوالکترود، الکترود شمارنده و الکترولیت بوده است 5]و.[6 در بین آنچه در بهبود فوتوالکترود مورد مطالعه قرار گرفته است، نانوساختارهای تکبعدی از اهمیت ویژهای برخوردارند .[7-9]
لایه متشکل از این نانو ساختارها با داشتن مرزدانههای کمتر مسیر مستقیمی را برای حرکت الکترونها فراهم میکند .[7] بنابراین سرعت انتقال در این ساختارها افزایش مییابد. هم چنین طول میکرونی نانوساختارهای تک بعدی پراکنندگی نور مناسبی را در فوتوالکترود سلولهای خورشیدی رنگدانهای ایجاد میکند، که میتواند تاثیر مثبتی بر بازدهی سلول داشته باشد .[10] تحقیقات مختلفی در زمینه رشد عمودی نانومیله های TiO2 و ZnO بر FTO و استفاده از آنها در فوتوالکترود سلول های خورشیدی رنگدانه ای انجام گرفته اند.
این تحقیقات به دستیابی به بازده هایی در محدوده % 0/5 تا % 3 منجر گردیده اند. با این وجود سطح موثر کم نانومیله ها افزایش بازدهی سلول های متشکل از آنها را با مشکل مواجه کرده است .>12 -10@ در این تحقیق اثر افزایش زمان رشد هایدروترمال بر طول نانومیله های TiO2 سنتز شده بر بستر FTO بررسی می گردد. سپس این نانومیله ها پس از حساس سازی با رنگ N719 به عنوان فوتوالکترود سلول های خورشیدی رنگدانه ای استفاده شده و اثر طول آنها بر بازدهی سلول ها مورد بررسی قرار میگیرد.
روش آزمایش
ابتدا زیر لایه های FTO به مدت 10 دقیقه با آب یون زدایی شده، 10 دقیقه با اتانول و 10 دقیقه با استون در آلتراسونیک شستشو داده می شوند. سپس 12 ml آب یون زدایی شده را با 12 ml هیدروکلریک اسید غلیظ مخلوط می شود و پس از گذشت 10 دقیقه، 0,4 ml تیتانیوم تترا بوتیل تیتانات را به آن اضافه می شود و به مدت 10 دقیقه هم میخورد. سپس زیر لایه های FTO درون اتو کلاو قرار داده می شوند و محلول تهیه شده به آن اضافه می شود.
در نهایت اتوکلاو به منظور انجام فرآیند هایدروترمال در زمان های مختلف 8، 12، 16، 20 و24 ساعت در دمای 150 C قرار می گیرد. پس از انجام فرایند هایدروترمال لایه ها با آب یون زدایی شده شستشو می شوند و به عنوان فوتو الکترود سلول خورشیدی رنگدانهای مورد استفاده قرار می گیرند. برای بستن سلول خورشیدی رنگدانهای و تهیه کامل آن، فوتوالکترودها به مدت 24 ساعت به منظور جذب رنگ داخل محلول رنگ N719 با غلظت 0/2 M تحت شرایط تاریکی قرار میگیرند. بعد از این مرحله فوتوالکترود و الکترود شمارنده به وسیله یک فاصله دهنده از جنس پلاستیک ترموپلاست با ضخامت 30ʽm و در طی یک فرآیند حرارت دهی به یکدیگر چسبانده می شوند.
در نهایت با تزریق الکترولیت حاوی لیتیم یدید 100 mM، ید جامد 100 mM، تترا بوتیل پیریدین 500 mM و تترا بوتیل آمونیوم یدید 100 mM در حلال استونیتریل از طریق یک سوراخ بر سطح کاتد تحت شرایط خلا و بستن سوراخ، سلول خورشیدی آماده میگردد. به منظور بررسی اجزا تشکیل دهنده و عملکرد سلولهای خورشیدی رنگدانهای آنالیزهای اندازهگیری جریان- ولتاژ سلول های بسته شده با سطح فعال 0/16 cm2 در شرایط تابش نور خورشید AM-1.5 با استفاده از دستگاه پتانسیو استات Autolab و تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی - - SEM با استفاده از دستگاه Hitachi انجام شدند.
نتایج و بحث
شکل 1، - الف - تا - ه - تصاویر SEM از سطح نمونه های شامل نانومیلههای دیاکسید تیتانیوم رشد داده شده بر روی شیشه FTO در زمان های مختلف - R8 - 8، - R12 - 12، - R16 - 16، 20 - R20 - و - R24 - 24 ساعت را نشان می دهد. همچنین تصاویر SEM مقطع عرضی نمونه ها در ضمیمه تصاویر SEM سطحی آورده شده اند. علاوه بر این نمودار ستونی طول نانومیله ها بر حسب زمان رشد در شکل 1 - ی - نشان داده شده است. این نمودار با استفاده از تصاویر SEM مقطع عرضی رسم شده است. همانطور که مشاهده میشود، با افزایش زمان رشد هایدروترمال، قطر نانو میله ها افزایش می یابد. در ضمن، چگالی نانومیله ها در واحد سطح نیز افزایش می یابد.
همچنین، میزان رشد عمودی نانومیله ها در زمانهای رشد طولانی تر افزایش یافته است. با توجه به شکل1 - ی - ، طول نانومیله ها در زمان رشد 8 ساعت به 1/7 ʽm، در زمان رشد 12 ساعت به 2/3 ʽm، در زمان رشد 16 ساعت به 2/5 ʽm، در زمان رشد 20 ساعت به بیشترین مقدار شکل : 1 تصاویر SEM سطح نانو میله های رشد داده شده در زمان های هایدروترمال - الف - 8 ساعت، - ب - 12 ساعت، - ج - 16 ساعت، - د - 20 ساعت، - ه - 24 ساعت و تصاویر SEM مقطع عرضی نمونه ها در ضمیمه تصاویر SEM سطح نشان داده شده اند و - ی - نمودار ستونی توزیع طول نانومیله ها بر حسب زمان رشد. خود یعنی حدود 4/5 ʽm می رسد. در نهایت در زمان رشد 24 ساعت طول نانو میله ها کاهش می یابد و به مقدار 3/5 ʽm می رسد.
مشاهده شده است که بعد از گذشت زمان 24 ساعت، چگالی نانو میله ها در واحد سطح به اندازه کافی افزایش یافته و نانومیله ها از سطح زیر لایه جدا می شوند. می توان استدلال کرد که رشد نانومیله ها و افزایش طول آنها به دلیل تشکیل مونومر های دی اکسید تیتانیوم در طی فرایند رشد می باشد. با این وجود کاهش طول نانومیله ها و در نهایت جدا شدن لایه نانومیله ها از سطح زیرلایه FTO می تواند دلیل وجود رقابت بین دو فرآیند رشد و حل شدن در زمان های طولانی تر فرآیند هایدروترمال باشد.
شکل 2، نمودار های جریان ولتاژ مربوط به سلول های خورشیدی ساخته شده با استفاده از فوتوآند های - R8 زمان رشد 8 ساعت - ، R12 - زمان رشد 12 ساعت - ، - R16 زمان رشد 16 ساعت - ، R20 - زمان رشد 20 ساعت - و R24 - زمان رشد 24 ساعت - را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود - جدول - 1 شدت جریان اتصال کوتاه سلولها برای فوتوآندهای تشکیل شده در زمانهای رشد هایدروترمال طولانی تر، بیشتر است. در این حالت بیشترین شدت جریان اتصال کوتاه مربوط سلول خورشیدی با فوتوآند تهیه شده در زمان رشد 24 ساعت میباشد. دلیل این افزایش در شدت جریان اتصال کوتاه می تواند افزایش سطح موثر نانو میله ها بر سطح زیر لایه در فوتوآند سلول خورشیدی رنگدانه ای باشد. همچنین ولتاژ مدار باز با افزایش طول نانو میله ها افزایش می یابد.
