بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله از نقاط کوانتومی CdS و CdTe به عنوان حساس کننده در سلول های خورشیدی نانو ساختاری مبتنی بر TiO2 استفاده شده است. شکاف انرژی نانو کریستال های CdTe را به گونه ای می توان تنظیم کرد که بیشترین طیف خورشید را جذب کنند. درنتیجه سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی با سایزهای مختلف نانوکریستال های CdS و CdTe پهنای طول موج جذب نور را گسترش می دهند.
نانوذرات TiO2 تهیه شده به روش هایدروترمال به عنوان فوتوآند بر سطح زیرلایه شیشه/هادی شفاف جایگذاری می گردند. سپس نقاط کوانتومی CdS به روش جذب متوالی لایه های یونی و انجام واکنش - SILAR - بر سطح این لایه نانوکریستالی رشد داده می شوند. نقاط کوانتومی CdTe به روش رسوبدهی شیمیایی در زمان های رفلاکس مختلف سنتز شده اند. درنهایت نانوکریستال های CdTe به روش چکاندن قطره لایه نشانی می شوند. نتایج نشان داد که سلول خورشیدی تهیه شده با حساس سازی فوتوآند با نقاط کوانتومی CdS در طی 6 دوره لایه نشانی، نقاط کوانتومی CdTe طی 5 ساعت زمان رشد بدست می آمد. این سلول خورشیدی دارای پارامتر های فوتوولتایی جریان مدار کوتاه mA/cm2 - Jsc - 6/26 ، ولتاژ مدار باز 585 mV - Voc - و بازدهی تبدیل انرژی % 2/1 می باشد.
.1 مقدمه
خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی گزینه مناسبی در بین خورشید یکی از منابع تجدید پذیر می باشد، که برای رفع سلول های خورشیدی نسل سوم با توجه به ویژگی های نقاط تقاضای روز افزون انرژی مورد استفاده قرار می گیرد. سلول های کوانتومی به عنوان جاذب نوری می باشند. ویژگی های نقاط کوانتومی همچون ویژگی های خوب اپتیکی و ضریب جذب بالا - در حدود - 105-106 / M.cm و تولید بیش از یک جفت الکترون- حفره در انرژی های بالا می باشد 1]و2و.[3 دو روش کلی برای لایه نشانی نقاط کوانتومی بر سطح الکترود وجود دارد: - 1 - روش سنتز در محل مانند روش جذب متوالی لایه های یونی - سیلار - 1 و روش رشد حمام شیمیایی[4] 2، - 2 - روش سنتز در خارج از محل مانند روش جذب مستقیم3، رسوب الکتروشیمیایی4 و اتصال به کمک لینکر ها5 مثل .MPA از مزایای روش سنتز در محل می توان به پوشش بالا و موثر آن بر الکترود متشکل از نانوذرات TiO2 اشاره کرد.
با وجود این مزایا، کنترل سایز نقاط کوانتومی در این روشمشکل است. اما در روش سنتز در خارج از محل نقاط کوانتومی با خواص اپتیکی بالا سنتز می شوند، اما میزان پوشش دهی این نقاط کوانتومی بر لایه TiO2 به دلیل وجود لیگاندها بر روی سطح این نانو ذرات کم است .[5] برای حساس سازی سلول های خورشیدی از نقاط کوانتومی CdSe, CdTe, CdS, PbS, PbSe, InP استفاده می شود .[6] در سال های اخیر استفاده از چند نقاط کوانتومی در سلول های خورشیدی باعث افزایش میزان بازدهی شده است. نقاط کوانتومی CdS با شکاف انرژی 2/4 eV طول موج های کمتر از 500 nm را جذب می کند، با لایه نشانی نانوکریستال های CdTe با شکاف انرژی 1/4 eV میزان جذب نور را افزایش داده بنابراین استفاده از این نانو ذرات به عنوان گسترش دهنده ی جذب نور می تواند باعث بهبود بازدهی سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی باشد.
در این تحقیق بهینه چرخه نقاط کوانتومی CdS به روش سیلار به روی زیر لایه TiO2 لایه نشانی می شود سپس نانوکریستال های CdTe که در خارج از محل به روش رسوب دهی شیمیایی و با
استفاده از عامل پوششی تیوگلوکولیک اسید - TGA - سنتز شده به روش قطره چکاندن - روش جذب مستقیم - لایه نشانی می شود. با وجود اینکه ساختار عامل پو ش شی MPA م شابه با TGA می با شد، اما این دوماده رفتاری کاملا متفاوت در برابر تابش ن شان می دهند در مورد MPA تجزیه لیگاندها منجر به آزاد سازی گوگرد نمی شود و در نتیجه بازدهی نورتابی نانوذرات CdTe تغییر چشم گیری نمی کند . [7] نتایج نشان می دهند که سلول خورشیدی تهیه شده در زمان رفلاکس 5h دارای جریان اتصال کوتاه mA/Cm2 6/62 ، ولتاژ مدار باز 585mV وبازدهی% 2/1 می باشد.
.2 روش آزمایش
در این تحقیق از نانو ذرات CdS و CdTe به عنوان حساس کننده استفاده می شود. نانوذرات TiO2 به روش هایدروترمال در یک محیط اسیدی و با پیش ماده 6TTIP تهیه می شود. برای تهیه خمیر
شامل نانوذرات TiO2 ، مقادیری مشخص از پلیمر اتیل سلولز و ترپینئول محلول در اتانول 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 .[8] در نهایت با استفاده از این خمیر یک لایه از این نانوذرات با ضخامت 10 µm با استفاده از دو لایه چسب اسکاچ به عنوان فاصله دهنده 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 - 2 - نامگذاری و نام نقاط کوانتومی در ادامه آن آورده می شود.
به منظور حساس سازی فوتوآند در این سلول های خورشیدی، نقاط کوانتومی CdS به روش سیلار بر سطح فوتوآند رشد داده می شود. در فرآیند سیلار CdS ، محلول آنیون شامل 0/1 M از Cd - CH3COO - 2 در متانول و محلول حاوی یون های کاتیون شامل محلول 0/1M از Na2S در متانول وآب یون زدایی شده می باشد. فوتوآند به مدت یک دقیقه در محلول های نامبرده قرار گرفته و سپس با متانول شستشو می شود.
برای لایه نشانی نقاط کوانتومی CdTe به روش قطره چکاندن ابتدا این نانوذرات به روش محلول در آب سنتز می شود. برای سنتز این نقاط کوانتومی ابتدا محلول NaHTe را به این صورت آماده می کنیم: 1/25 mmol سدیم بورهیدرید در 10mL آب یون زدایی شده حل شده، سپس این محلول به یک بالون سه دهنه که درپوش های آن به خوبی عایق بندی شده بودند، منتقل می شود. به منظور
اکسیژن زدایی این محلول تحت استیرر شدید و در معرض شارش گاز آرگون به مدت 20 min قرار می گیرد. در مرحله بعدی مقدار 0/5 mmol پودر تلوریوم به محلول خالی از اکسیژن اضافه شده و همچنان این محلول تحت استیرر شدید و شارش گاز آرگون قرار میگیرد.
در مرحله بعد محلول شامل پیش ماده کادمیوم و عامل پوششی را به این صورت آماده می کنیم: ابتدا 0/4 mmol از کادمیوم کلراید - CdCl2 - و 0/72 mmol TGA به منظور تشکیل کمپلکس های Cd-TGA در 100mL آب یون زدایی شده حل کرده، pH را با اضافه کردن مقدار مشخصی از محلول NaOH بر مقدار 10/0 نتظیم می کنیم. سپس این محلول به یک بالن سه دهنه که تمامی درپوش های آن به خوبی بسته شده است منتقل شد و به مدت 30 دقیقه تحت استیرر شدید قرار می گیرد.
سپس با گذشتزمان 2ساعت 2 mL از محلول NaHTe را به محلول Cd-TGA در حمام روغن اضافه می کنیم. از نقاط کوانتومی CdTe در زمان های 1-10 ساعت نمونه برمیداریم. این نانوذرات را سانتریفیوژ کرده و روی فوتوآند به مدت 2 ساعت Drop Cast می کنیم . برای آماده سازی الکترود شمارشگر CuS استفاده می شود، در این فرآیند محلول های 5/0 مولار از Cu - NO3 - 2 در اتانول و Na2S در آب/اتانول به عنوان پیش ماده Cu2+ و S2- استفاده می شوند. برای تهیه الکترولیت پلی سولفید بصورت محلولی 1 مولار از Na2S، 0/2 مولار از KCl و 2 مولار از S در محلول شامل آب و متانول به نسبت 7/3 تهیه می گردد. در این تحقیق اندازه گیری مشخصه I-V سلول نهایی با سطح موثر 0/16 سانتی متر مربع و در شرایط تابش نور خورشید Am 1.5 انجام شد.
.3 نتایج و بحث
شکل 1 - الف - منحنی های انتشار نور نقاط کوانتومی CdTe را مشاهده می کنیم که با افزایش سایز شدت نورتابی این نانوذرات افزایش یافته این نشان دهنده بهبود خواص نورتابی نانوبلورها در طی زمان حرارت دهی می باشد که این افزایش شدت نورتابی مربوط به حضور TGA به عنوان عامل پوششی در سنتز نانوذرات CdTe است. در نتیجه بازدهی کوانتومی نورتابی نانوبلورها در طول زمان افزایش قابل توجهی دارد. شکل 1 - ب - منحنی عبور نور نانوکریستال های CdTe را نشان می دهد. مشاهده می کنید که با افزایش زمان حرارت دهی میزان لبه جذب به سمت طول موج های بیشتر تغییر کرده و این تغییر طول موج حاکی از افزایش سایز و همچنین کاهش شکاف انرژی نانوذرات CdTe است.
شکل 2 - الف - منحنی های I-V مربوط به سلول خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی CdS و نقاط کوانتومی CdS-CdTe - 5h - را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود مقدار جریان و ولتاژ در سلول خورشیدی حساس شده با CdS-CdTe - 5h - نسبت به شاهد افزایش یافته است. شکل - 2ب - ت صاویری از نانوکری ستال های CdTe در زمان های مختلف را نشان می دهد. همان طور که از این تصاویر مشخص است، با گذشت زمان و افزایش سایز نانوذرات سنتز شده رنگ آن ها نیز تیره می شود. شکل 3 منحنی های عبور نور فوتوآندهای H12/CdS/CdTe را نشان می دهد.
