بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق یک فوتوآند دولایه به منظور بهبود بازدهی سلول های خورشیدی رنگدانه ای به کار برده شد. لایه زیری یک لایه ی نانوکریستالی از نانوذرات کریستالی 20 نانومتری TiO2 با ضخامت 7 میکرومتر است. لایه رویی متشکل از پراکنده کننده نور از کره های توخالی TiO2 و یا ترکیبی از کره های توخالی TiO2 و نانومیله ها است. کره های توخالی TiO2 به روش لایه نشانی فاز مایع بر روی قالب کربنی شکل گرفته با هایدروترمال آماده شده اند.
سپس آنها در یک فرآیند هایدروترمال دیگر برای تشکیل ترکیبی از کره های توخالی TiO2 و نانومیله ها به کار گرفته شدند. نانوکریستال های دولایه مختلف به وسیله مولکول های رنگ N719، رنگ جذب کردند و به عنوان فوتوآند سلبول های خورشیدی رنگدانه ای به کار گرفته شدند. این نشان داد که بازدهی تبدیل انرژی در حدود % 10 برای فوتوآند ترکیبی از کره های توخالی TiO2 و نانومیله ها در مقایسه با حالتی که تنها از کره های توخالی TiO2 تشکیل شده بود افزایش یافت.
.1 مقدمه
در میان دستگاه های مختلف فوتوولتائیک، سلول های خورشیدی رنگدانه ای به عنوان نماینده نسل سوم رکورد بالای راندمان 12/3 درصد را در استفاده از نانوذرات 20 TiO2 نانومتری به نمایش گذاشته اند .[1] یک لایه TiO2 ایده آل باید به طور همزمان ویژگی هایی همچون سطح موثر بالا برای جذب رنگ، پراکندگی مناسب برای افزایش به دام اندازی نور، ایجاد مسیر مستقیم برای حرکت الکترون و داشتن سطح متخلخل به منظور تزریق بهتر الکترولیت را داشته باشد .[6-2] اما در این گونه ساختارها مشکل اساسی نقص ها و اختلالاتی است که در سطح ها وجود دارد که موجب به دام افتادن الکترون و در نتیجه آن نارضایتی در طول پخش الکترون هاست.
برای حل این مشکل از ساختار های ترکیبی استفاده می شود که بتوان مسیر مستقیمی برای حرکت الکترون ها ایجاد کرد و در نتیجه طول عمر آنها را افزایش داد .[7] درحال حاضرتحقیقات زیادی به منظور سنتز ساختارهایی با سطح موثر بالا برای جذب رنگ انجام می شود. یون1 و همکارانش ترکیبی از نانومیله های TiO2 را در لایه نانوذرات P25 آماده کردند. با افزایش مقدار نانومیله ها جریان اتصال کوتاه افزایش و عامل پرشدگی کاهش می یابد.
[8 ] باکستر2 و همکارانش نیز نفوذ نانوذرات ZnO را در نانوسیم های عمودی ZnO بررسی کردند که منجر به افزایش بازدهی از 0/5 به 1 /1 درصد شد. [9 ] در سال 2006 بینگ تان3 ترکیبی از نانوذرات TiO2 و نانوسیم های TiO2 را با درصد وزنی های مختلف آماده کرد. وی افزایش بازدهی را از 6 /7 درصد برای لایه ای از نانو ذرات به 8/6 درصد برای لایه ترکیبی شامل نانو ذرات و نانوسیم ها مشاهده کرد.[ 10 ]
در این پژوهش یک رهیافت برای ساختار فوتوآند شامل کره های توخالی TiO2 و نانومیله ها به صورت ترکیبی به منظور ایجاد مسیر مستقیم برای حرکت الکترون ها و پراکندگی نوری بهینه استفاده شده است. کره های کربنی استفاده شده در این ساختار ها به روش هایدروترمال و با ابعادی در حدود 400 nm سنتز شده اند. هم چنین پودر متشکل از کره های توخالی TiO2 و نانومیله ها به روش هایدروترمال سنتز شد. در نهایت استفاده از این ساختار ها بازدهی سلول خورشیدی را نسبت به حالتی که تنها از یک زیرلایه نانوذرات TiO2 با سایزی درحدود 20 nm استفاده شده بود 44 درصد افزایش داد.
.2 روش آزمایش
نانوذرات TiO2 به روش هایدروترمال در یک محیط اسیدی و با پیش ماده 4 TTIP 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℃ قرار می گیرد تا خمیر % 18 وزنی از نانوذرات آماده شود .[11] در نهایت با استفاده از این خمیر یک لایه از این نانوذرات با ضخامت 7 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 H12 نامگذاری می شود. برای سنتز کره های کربنی از گلوکز به عنوان پیش ماده کربن و آب به عنوان حلال استفاده شده است. محلول آبی شفاف با غلظت 1M گلوکز شامل 5/75gr گلوکز و 25 ml آب تهیه شد. سپس محلول به ظرف تفلون داخل اتوکلاو منتقل شد و به مدت 12 h در دمای 180 درجه سانتی گراد حرارت دهی شد. به منظور تهیه کره های توخالی TiO2 محلولی از پودر نهایی متشکل از 0/4 gr کره های کربنی در ml 40 اتانول با فرآیند آلتراسونیک دیسپرس شد.
در ادامه 0/12 ml از محلول TTIP اضافه شد. محلول به مدت 24 h روی هم زن مغناطیسی هم خورده شد. در نهایت با چندین مرتبه شستشو با اتانول و آب به مدت 12 h در دمای 40 ℃ خشک شد. پودر حاصل پوششی از دی اکسید تیتانیوم برروی قالب کربنی می باشد . - C/TiO2 - با انجام حرارت دهی - کلسینه کردن - در دمای 450℃ به مدت 2 h قالب کربنی به طور کامل سوخته و کره های توخالی TiO2 باقی می ماند. خمیر متشکل از این کره ها نیز همانند روش قبل آماده شده و لایه ای با ضخامت 6 میکرومتر بر روی لایه H12 به روش دکتر بلید لایه نشانی شده و به صورت H12/HS نامگذاری می شود.
به منظور تهیه پودر شامل کره های توخالی TiO2 و نانومیله ها ، 0/05 gr از پودر کره های توخالی TiO2 را در 12cc آب حل کرده سپس 12 cc هیدروکلریک اسید را به آن اضافه کرده و به مدت min 10 هم می خورد. در نهایت 5 TBT 0/4 cc را قطره قطره به آن اضافه می کنیم وبعد از5 دقیقه هم خوردن محلول را به تفلون 30 ml منتقل کرده و به مدت 8 h در دمای 150 ℃ حرارت دهی می شود. محلول نهایی را شستشو داده و رسوب بدست آمده در دمای 70℃ به مدت 5 h حرارت دهی می شود. از پودر نهایی با استفاده از مقادیر مشخص از اتیل سلولز و ترپینئول خمیری آماده کرده و به روش دکتر بلید لایه ای به ضخامت 7 میکرومتر بر روی لایه ی H12 لایه نشانی می کنیم. این لایه به صورت H12/HS-NR نامگذاری می شود.
.3 نتایج و بحث
شکل 1 - الف - تا - ج - تصاویر SEM از سطح را نشان می دهد. همان طور که از شکل 1 - الف - مشخص است کره های کربنی با سایزی در حدود 500 nm سنتز شده اند. شکل - 1ب - کره های توخالی TiO2 را با سایزی در حدود 500 nm نشان می دهند. همان گونه که از شکل - 1ب - مشخص است کربن پس از حرارت دهی با اکسیژن هوا واکنش داده و به صورت گاز CO2 از ساختار خارج می شود. این خروج گاز منجر به سوراخ کردن کره های TiO2 می شود. ضخامت لایه TiO2 شکل گرفته بر روی کره های کربنی در حدود 80 nm است. شکل 1 - ج - ترکیبی از کره های توخالی TiO2 و نانومیله ها را نشان می دهد. قطر میله ها در حدود 50 nm و طول آنها 1 میکرومتر است.
شکل 2 منحنی های عبور اپتیکی از فوتوآند های H12، H12/HS و H12/HS-NR را نشان می دهد. همان طور که منحنی مربوط به نانوذرات TiO2 نشان می دهد، لایه متشکل از این نانوذرات لبه جذبی در حدود nm 300 دارد و در حدود 80 درصد نور را از خود عبور می دهد. این مطلب نشان دهنده شفاف بودن لایه H12 می باشد. در مقابل میزان عبور نور از لایه های H12، H12/HS و H12/HS-NR در محدوده ی طول موج های 350 nm تا 1100 nm برابر صفر می باشد.
