بخشی از مقاله
چکیده :
سلول های خورشیدی پروسکایتی بر پایه کربن توسط چاپ سه بعدی لایه های متخلخل از تیتانوم ، زیرکنیا و کربن بدون لایه حمل کننده حفره و از طریق تزریق محلول پروسکایت به داخل لایه ها ساخته شده است. بازده سلول با تغییر ضخامت سه لایه و ترکیب خمیرهای مورد استفاده برای چاپ روی صفحه بهبود داده شده است. طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی به عنوان راهنمایی در جستجو برای بهبود ضخامت لایه ها استفاده شد. تمام مراحل ساخت و آزمایش سلول ها تحت شرایط محیطی و رطوبت 30-20 در معرض هوای محیط انجام شده و محافظتی روی سلول وجود نداشت و بازده %10,7 بدست آمد. تمام سلول ها دارای ثبات قابل توجهی هستند که به دلیل خاصیت محافظت کربن در مقابل رطوبت حاصل شده است.
واژههای کلیدی :سلول خورشیدی پروسکایتی پایدار، الکترود شمارنده کربنی ، بدون ماده انتقال دهنده حفره
مقدمه
سلول های خورشیدی پروسکایتی هیبرید آلی و معدنی - PSC - با توجه به راندمان بالا و روش های ساخت ساده آن توجه زیادی را به خود جلب کرده اند .[4-1]این سلول ها می توانند در دو دسته متفاوت باشند. اول، سلول های کلاسیک که شناخته شده تر نیز می باشند، معمولا از ساختاری به صورت TiO2/Perovskite/HTM/Au استفاده می کنند و شامل یک لایه HTM - مواد انتقال دهنده حفره - به عنوان جمع کننده حفره و طلا به عنوان الکترود متقابل آنها می باشند. در این مورد، انواع مواد آلی در فرم مونومر یا پلیمری به عنوان حامل های حفره استفاده شده است. یک نوع از این مواد که زیاد مورد استفاده قرار می گیرد spiro-OMeTAD می باشد اما سایرمولکول های مونومر مانند فتالوسیانین های فلزی 5]و[6 نیز استفاده شده اند.
انتقال دهنده های حفره ارگانیک راندمان بالایی را فراهم می کند، اما پایداری آنها مورد سوال قرار می گیرد و هزینه های بالای آنها مانع از کاربرد این سلولها در مقیاس صنعتی می گردد .[10-5] خوشبختانه، پروسکایتها دارای خاصیت ضریب جذب نور بالا و تحرک بالای حفره هستند، به طوری که می توانند به تنهایی و همزمان به عنوان جذب کننده فوتون و مواد انتقال دهنده حفره مورد استفاده قرار گیرند و در نتیجه ساخت سلول پروسکایتی ساده و کم هزینه را امکان پذیر بسازند.دسته دوم شامل سلولهای پروسکایتی بدون انتقال دهنده حفره است که می تواند راه حل مناسبی برای دستیابی به سلولهای پروسکایتی کم هزینه و روش ساخت آسان باشد .[11-7] در این رده، سلول های خورشیدی پروسکایتی مبتنی بر کربن جای می گیرند، که از کربن به عنوان الکترود شمارنده الکترون استفاده می شود.[12]
در این مقاله، سلول های بر پایه بر کربن مورد بررسی قرار می گیرند که توسط ساختار متخلخل چند لایه ساخته و سپس محلول محتوی پیش ماده پروسکایت به شبکه تزریق می شود. الکترودهای کربن به طور معمول توسط تکنیک چاپ یا Dr. Blade با استفاده از یک خمیر کربن حاوی گرافیت، کربن سیاه و نانوذرات ZrO2 - یا - Al2O3، پس از آنیلینگ در دمای بالا - به عنوان مثال 400 درجه سانتیگراد - [14-12] ساخته می شوند.کربن به دلیل تمایل به جذب حاملهای شارژ نقش مهمی در تنظیم عملکرد سلول های خورشیدی دارد. در این دسته از سلولهای پروسکایتی، نه تنها هزینه تولید کاهش می یابد، بلکه همچنین به دلیل ماهیت هیدروفوبیکی کربن، ثبات سلول در حضور رطوبت افزایش می یابد و در مقابل رطوبت از آسیب پذیری پروسکایت به طور قابل ملاحظه ای محافظت می شود.
سطح انرژی کربن برای جذب حفره از مواد پروسکایت در سطح مناسبی 10-8]و [15 قرار گرفته است، بنابراین لایه گران و ناپایدار انتقال دهنده حفره می تواند حذف شود. لازم به ذکر است که با استفاده از روش آسان چاپ یا رول به رول در این نوع سلول ها و با بازدهی قابل حصول بیش از 10 ، که قابل مقایسه با سلول های فتوولتائیک سیلیکون تجاری میباشد 16]،15،10،[7، آنها تبدیل به یک نامزد امیدوار کننده برای صنعتی شدن و جایگزینی دیگر سلول های خورشیدی ارگانیک یا هیبریدی آلی و غیر آلی هستند. در این راستا باید توجه داشت که اکثر آثار گزارش داده شده در مورد سلول های خورشیدی رنگ دانه ای نیز به سختی به بازده 10 میرسند 18]،. [17
بررسی مقالات اخیر نشان می دهد که بیشتر سلول های رده دوم بر اساس یک پیکربندی استاندارد که شامل یک شبکه سه لایه بر روی یک الکترود شفاف است که از تیتانیای متخلخل - روی یک لایه نازک تیتانیای فشرده - ، لایه میانی ZrO2 عایق و لایه کربنی مزوپوروس با رسانایی بالاتشکیل شده است. کربن نقش جمع آوری کننده حفره را بازی می کند در حالی که تیتانیا به عنوان ماده انتقال دهنده الکترون عمل نموده و لایه میانی زیرکنیا بعنوان عایق از هرگونه تماس مستقیم میان کاتد کربنی و آند تیتانیومی جلوگیری کرده و مانع از انتقال الکترون به الکترود شمارنده می گردد در حالیکه با توجه به سطوح انرژی قابلیت خوبی جهت انتقال حفره به الکترود شمارنده - کاتد کربنی - را دارا می باشد.
سطوح انرژی مواد[19,20] به کار رفته لایه های مختلف و همچنین دو نوع انتقال دهنده حفره، جهت مقایسه با کربن در شکل 1 قابل مشاهده می باشند.محلول پیش ماده پروسکایت از طریق لایه ی بالا نفوذ می کند و برای تشکیل پروسکایت نهایی از آن استفاده می شود. در این زمینه، بسیاری از آثار مرتبط اخیر در حال مطالعه بهینه سازی شبکه سه لایه با تمرکز بر تغییرات مواد هستند 15-7]،10، 16، [21-23 و کار فعلی در همان راستا میباشد. مهندسی مواد و فصل مشترک بین آنها ، ظاهرا کلید بهبود عملکرد سلول است.تجربه نشان می دهد که یکی از مهم ترین عوامل موثر بر عملکرد سلول، ظرفیت نفوذ پذیری شبکه برای نفوذ ماده پروسکایت به داخل شبکه متخلخل تیتانیوم است. این امر بستگی به ساختار و ضخامت لایه های زیرکونیا و کربن دارد.
مشخصا لایه های نازک، برای نفوذ بهتر عملکردبهتری دارند، اما لایه کربنی بسیار نازک منجر به کاهش رسانایی خواهند - Degussa P25 و 1,4 گرم پودر اتیل سلولز مخلوط شده سپس 0,5 میلی شد که این امر هم مجددا عملکرد سلول را تضعیف می کند پس لازم لیتر اسید استیک و سپس 2 میلی لیتر آب تحت هاون کردن مداوم، اضافهاست که یک حد بهینه برای این ضخامتها بدست بیاید. بنابراین، کار حاضر شد. پس از آن به تدریج 12 میلی لیتر اتانول مطلق اضافه شد و سپساین عوامل را مورد مطالعه قرار داده و برخی از اقدامات را برای بهبود 8/4 گرم ترپینول، دوباره تحت هاون مداوم افزوده گردید و به مدت 5عملکرد سلول پیشنهاد می کند. دقیقه هم زدن ادامه یافت.
روش تحقیق
به جز مواردی که ذکر میشود، تمام واکنشگرها از شرکت Aldrichخریداری شده و به محض دریافت مورد استفاده قرار گرفته اند. از نانو کریستال تجاری تیتانیوم Degussa P25 برای لایه نشانی لایه متخلخل تیتانیا استفاده شد. شیشه هادی - FTO - با مقاومت 8 اهم ازشرکت Pilkington و -5آمونیوم والریک اسید یدید - AVAI-5 - ازشرکت Dyesol خریداری گردید.باید به این نکته تاکید کرد که سنتز مواد و روش های لایه نشانی فیلم که در کار حاضر به کار رفته اند، از شعار سادگی و کاهش هزینه الهام گرفته شده است. پس از تهیه خمیرهای مناسب، تمام لایه ها توسط چاپ روی صفحه هادی لایه نشانی شده اند. تنها لایه فشرده تیتانیا به روش دورانی پوشانده شد. عملیات با TiCl4، که یک عمل معمول در سلول های خورشیدی بر اساس تیتانیوم متخلخل است، در کار حاضر غیر ضروری بود و از مراحل ساخت سلول حذف گردید.
ساخت خمیر تیتانیوم
خمیر تیتانیا با استفاده از پودر Degussa P25 با توجه به روش های مورد استفاده در مقاله منتشر شده قبلی [5] ساخته شد و برای لایه نشانی لایه تیتانیا متخلخل استفاده شد. به طور خاص، 3 گرم TiO2 و 1 میلی لیتر اسید استیک مخلوط شده و سپس به تدریج 2,5 میلی لیتر آب و 50 میلی لیتر اتانول افزوده شد و پس از آن همزده شد. سرانجام، با افزودن 10 گرم ترپینول و محلول %2,5 وزنی اتیل سلولز در اتانول به خمیر و اتانول زدایی در دستگاه تبخیر چرخشی ، خمیر آماده شد.
ساخت خمیر زیرکونیا
خمیر ZrO2 با اصلاح یک دستورالعملی که در مرجع [25] آمده است ساخته شده است. 1 گرم ZrO2 - نانوپودر 100> نانومتر - ، 0,3 گرم - TiO2
ساخت خمیر کربن
9 گرم پودر گرافیت - اندازه ذرات کمتر از 20 میکرومتر - ، 3 گرم کربن سیاه [23] شرکت - Cabot - و 1 گرم ZrO2 نانوپودر 100> - نانومتر - در یک ظرف مخلوط شدند. سپس 18 گرم terpineol به تدریج به مخلوطدر حال آسیاب اضافه شد. در نهایت، 15 گرم محلول اتیل سلولز 10 - وزنی در اتانول مطلق - نیز به تدریج اضافه شد و هم زده شد. تمام خمیرهای فوق در یخچال نگهداری شدند.
سنتز محلول پیش ماده Perovskite
پیش ماده پروسکایت - 5-AVA - x - MA - 1-xPbI3 با مخلوط کردن 0,415 گرم PbI2، 0.134 گرم MAI سنتز شده و 0,0093 گرم AVAI-5 با 0,9 میلی لیتر -بوتیرولاکتون در 60 درجه سانتیگراد و هم خوردن به مدت 6 ساعت سنتز شد. نسبت مولی 5-AVAI: MAI در این ماده انتظارمی رود که 9:200 باشد [25]
ساخت سلول
ابتدا یک شیشه FTO با پودر Zn و HCl 37 برای بدست آوردن دوالکترود جدا ازهم اچ شد و پس از آن به روش اولتراسونیک با مواد شوینده، آب دیونیزه شده و اتانول تمیز شد. پس از آن، یک لایه فشرده TiO2 بر روی FTO لایه نشانی شد و پس از خشک شدن در دمای 100درجه سانتیگراد به مدت 10 دقیقه، آن را به مدت 20 دقیقه در کوره با دمای 500 درجه سانتیگراد زینترشد در مرحله بعد، لایه TiO2 متخلخل با ضخامت 400 نانومتری ساخته شده از پودر تجاری P25 ، روی لایهفشرده تیتانیوم چاپ شد و سپس به مدت 10 دقیقه در دمای 100 درجه سانتیگراد خشک شد و سپس به مدت 20 دقیقه در دمای 500 درجه سانتیگراد پخت شد. سپس یک لایه متخلخل ZrO2 با ضخامت 1 ,7 میلیمتر در بالای لایه TiO2 مزوپور ایجاد شد و در دمای 125 درجه سانتیگرادخشک شد و در دمای 450 درجه سانتیگراد به مدت 20 دقیقه عملیات
