بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر، ترکیبات پروسکایتی هیبریدی آلی-معدنی به دلیل گاف نواری مناسب و جذب بالای اپتیکی بهعنوان لایه جاذب سلولهای خورشیدی مورد توجه زیادی قرار گرفتهاند. در این تحقیق لایه نازک پروسکایتی CH3NH3PbI3 به روش دومرحلهای چرخشی-غوطهوری بر روی زیرلایه شیشه رشد داده شده و خواص ساختاری و اپتیکی آن مورد بررسی قرار گرفته است. طرح پراش اشعه x تشکیل ساختار پروسکایتی را تأیید و مطالعه اپتیکی نشان داد که نمونه رشد داده شده دارای گاف نواری مستقیم حدود1/54eV است. این گاف انرژی مناسب در محدودهی طیف خورشید، لایه نازک
CH3NH3PbI3 را کاندید مناسبی برای استفاده به عنوان لایه جاذب در سلول خورشیدی مینماید.
مقدمه
مواد پروسکایت هالیدی هیبریدی آلی-معدنی در چند سال اخیر محور انجام پژوهشهای قابل توجهی برای استفاده در ساخت قطعات سلولهای خورشیدی قرار گرفتهاند. بازدهی سلولهای خورشیدی مبتنی بر این نوع جاذبها برای مدت کمتر از 5 سال از %3/8 به %20/1 افزایش یافت2]،.[1 این مواد ترکیباتی با ساختار استاندارد پروسکایت AMX3 هستند که در آن X یون عنصر هالید ، M یون عناصر سرب یا قلع و A یون یک مولکول آلی - متیل آمونیوم CH3NH3 یا فورم آمیدینیوم NH2 - CH - NH2 میباشد. این مواد، ویژگیهای خاص ترکیبات آلی مانند انعطافپذیری بالا و سنتز آسان را همراه با خواص خوب ترکیبات معدنی از جمله پایداری شیمیایی و حرارتی بالا، مقاومت مکانیکی و سختی زیاد دارند. از ویژگیهای این مواد میتوان طول نفوذ بزرگ حاملهای بار، تحرک بالای حاملهای بار،
جذب اپتیکی بالا در ناحیه طیف مرئی و انرژی بستگی کم اکسیتون نام برد.
حسن استفاده از این مواد این است که به دلیل جذب نوری زیاد این ترکیبات، از آنها بهعنوان لایه جاذب با ضخامت بسیار کم استفاده می شود، بنابراین توسط آنها میتوان سلولهای خورشیدی با بازده بالا از فاز محلول و با هزینه کم تولید نمود. تا به امروز پروسکایتهای هالید سرب متیل آمونیوم - CH3NH3PbX3, X=Cl, Br or I - بهترین کاندیدها برای ساخت سلولهای فوتوولتاییک دارای بازده بالا معرفی شدهاند. ترکیب CH3NH3PbI3 یک نیمرسانای با گافنواری مستقیم - دردمای اتاق حدود - 1/55eVاست. با داشتن این گاف انرژی ایدهآل در محدوه طیف خورشید و نیز ویژگیهای منحصر به فردی که ذکر شد، از این ترکیب پروسکایتی در سلولهای خورشیدی به عنوان لایه جاذب استفاده میشود. در این مقاله لایه جاذب CH3NH3PbI3 به روش چرخشی- غوطه وری رشد داده شده و خواص ساختاری و اپتیکی آن مورد بررسی قرار گرفته است.
روش انجام آزمایش
ابتدا 461mgاز PbI2 در1mlحلال DMF حل شده و به مدت 6 ساعت بر روی گرمکن با همزن مغناطیسی در دمای 70℃ قرار داده شد. سپس با استفاده از فیلتر سرسرنگی 37 - - - 4.5 P - این محلول فیلتر شده و بر روی زیرلایه شیشه به مدت 5 ثانیه با سرعت چرخش 6500 دور بر دقیقه لایه نشانی شد - شکل 1الف - . خشک سازی لایه ها در دمای 70℃ بر روی صفحه گرمکن به مدت 30 دقیقه انجام شد. سپس این لایه ها در داخل محلول متیل آمونیوم یدید - CH3NH3I - حل شده در ایزوپروپانول بدون آب با غلظت 10mg/ml به مدت 20 ثانیه غوطهور شدند. بلافاصله پس از غوطهوری در محلول ماده آلی، تغییر رنگ زیرلایه از زرد به قهوه ای تیره مشاهده شد که نشان دهنده نفوذ مولکولهای ماده آلی در داخل قفسهای هشتوجهی PbI2 و تبدیل شدن آن به ساختار پروسکایت است. سپس دو نمونه از این لایه انتخاب شد، نمونه اول، بلافاصله پس از بیرون آوردن از داخل محلول با ایزوپروپانول بدون آب شسته شد اما نمونه دوم به ترتیب با ایزوپروپانول و سپس دیکلرومتان بدون آب، شسته و در معرض هوا خشک سازی شد. نمونه اول بلافاصله پس از اینکه در معرض هوا قرار گرفت بصورت رگه رگه شده و لایه ها کیفیت خود را از دست دادند - شکل1ب - . اما در نمونه دوم به سبب استفاده از افزودنی دیکلرومتان، سرعت تبخیر حلال از روی سطح افزایش یافته و کیفیت لایه ها حفظ شد - شکل1ج - مجدداً. هر دو نمونه در دمای 70℃ بر روی صفحه گرمکن به مدت 30 دقیقه پخت گردیدند. آنالیز اپتیکی و ساختاری این نمونهها انجام شده و تشکیل لایه پروسکایت تأیید شد.
نتایج و بحث
به منظور بررسی خواص ساختاری نمونهها، تشکیل ساختار پروسکایت، تعیین پارامترهای شبکه، اندازه متوسط بلورکها در نمونه CH3NH3PbI3 لایهنشانی شده بر روی شیشه از طرح پراش اشعه ایکس دستگاه پراش پرتو X، مدل Bruker AXS-B8- Advance با خط تابش . &X با طول موج 1.5406 c استفاده شد. طرح پراش ثبت شده در شکل 2 نشان داده شده است. قلههای - 110 - ، - 211 - ، - 202 - ، - 004 - ، - 114 - و - 330 - مربوط به لایه جاذب پروسکایتی CH3NH3PbI3 به ترتیب در زوایای 14/2، 23/5، 24/5، 28/5، 31/8 و 43 ظاهر شدهاند. مقایسه نتایجحاصل از آنالیز ساختاری با مقالات نشان میدهد که در این تحقیق، لایه پروسکایت لایهنشانی شده به روش دو- مرحلهای چرخشی-غوطهوری در دمای اتاق دارای ساختار چهارگوشه در فاز β میباشد.[3-5] در شکل 2 قلههای علامتگذاری شده با علامت * مربوط به ترکیب PbI2 میباشند. حضور این قلهها نشان دهنده این است که تبدیل PbI2 به ساختار پروسکایت به طور کامل انجام نپذیرفته است. یکی از دلایل آن میتواند مربوط به زمان کوتاه غوطه- وری 20 ثانیهای زیرلایه PbI2 در محلول ماده آلی CH3NH3I حل شده در ایزوپروپانول باشد که ماده آلی برای نفوذ در PbI2 فرصت کافی نداشته است. دلیل دیگر این است که بهعلت استفاده از زیرلایه شیشه و مسطح بودن آن، اندازه بلورکهای یدید سرب، بزرگ بوده - در حد صد نانومتر - و نفوذ ترکیب متیل آمونیوم یدید بهطور کامل انجام نشده است. احتمالاً استفاده از زیرلایههای مزومتخلخل میتواند سبب کاهش اندازه بلورکهای یدید سرب شده و بنابراین
