بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق از نقاط کوانتومی CdS و PbS به عنوان حساس کننده در سلولهای خورشیدی نانوساختاری مبتنی بر TiO2 استفاده شده است . نقاط کوانتومی PbS با دلیل شکاف انرژی کوچکش تقریبا تمام گستره طیف انرژی خورشید را می پوشاند. در نتیجهی استفاده از هردو نقاط کوانتومی CdS و PbS در سلول خورشیدی حساس شده عملکرد به طور موثری افزایش مییابد. نانو ذرات TiO2 تهیه شده به روش هایدروترمال به عنوان فوتوآند بر سطح زیر لایه شیشه/ها دی شفاف جایگذاری می گردند.
در ادامه نانومیله های TiO2 با جهت های تصادفی در طی یک فرآیند هایدروترمال ثانویه بر سطح لایه نانو ذرهای TiO2 جایگذاری می شوند. به منظور حساس سازی فوتوآند، نقاط کوانتومی CdS و PbS روی TiO2NCs/TiO2NRs به روش سیلار بر سطح فوتوآند رشد داده میشوند. نتایج نشان داد که سلول خورشیدی با فوتوآند حساس شده با نقاط کوانتومی PbS دارای پارامترهای فوتوولتایی چگالی جریان اتصال کوتاه 11/2 mA/cm2 ولتاژ مدار باز mV 580 و بازدهی % 3/54 می باشد.
مقدمه
وابستگی شدید جوامع صنعتی به منابع انرژی، بویژه سوخت های نفتی و بکار گیری و مصرف بیرویه آنها سبب شده، این منابع که در قرن های متمادی در زیر لایههای زیرین زمین تشکیل شده، تخلیه شوند. انرژی های فسیلی مانند نفت و زغال سنگ پایان پذیر و تجدید ناپذیر هستند، اما انرژی های نو چنین نیستند.خورشید یکی از منابع مهم تجدید ناپذیر انرژی است که استفاده از آن به فناوری های پیشرفته و پرهزینه نیاز ندارد. ضمنا میتواند به عنوان یک منبع مفید و تأمین کننده انرژی در بیشتر نقاط جهان بکار گرفته شود. انرژی تابشی نور خورشید را می توان به روش مستقیم و غیر مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل کرد.
سیستم های فوتوولتائیک ابزار تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی هستند. در دسته بندی های ایجاد شده سلول های خورشیدی به سه نسل تقسیم می شوند. نسل اول، سلول های خورشیدی سیلیکونی مبتنی بر پیوند p-n هستند. نسل دوم، سلول های خورشیدی لایه نازک می باشند که به منظور رفع نواقص سلول های خورشیدی سیلیکونی توسعه یافته اند. درنهایت نسل سوم، سلول های خورشیدی نانوساختاری شامل سلول های خورشیدی رنگدانه ای، سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی و سلول های خورشیدی پلیمری می باشند.
سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی، توجه قابل ملاحظه ای را به عنوان وسایل فوتوولتاییک نسل سوم به خود جذب کرده اند. توجه به این دسته از سلولها به دلیل ویژگی های خوب اپتیکی نقاط کوانتومی نیمهرسانا و همچنین ضریب جذب بالا، پایداری نوری و خواص نوری وابسته به اندازه آنها میباشد.از جمله نقاط کوانتومی که بهعنوان حساسگر در سلولهای فوتوولتائیکی استفاده میشود می توان به PbSe، PbS، CdS، و CdTe و ...اشاره کرد.
عملکرد این نقاط کوانتومی تاثیری مستقیم بر بازدهی سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی دارد . بنابراین نقاط کوانتومی به عنوان یکی از مهم ترین قسمت های سلول خورشیدی، کارکرد موثر سلول خورشیدی را تضمین می کند. نقاط کوانتومی CdS به دلیل ویژگیهایی همچون شکاف انرژی مناسب، رسانندگی ناشی از تابش نور خوب، مشابه بودن ساختار کریستالی آن با TiO2 و ZnO و سنتز آسان و ارزان آن به عنوان یکی از مناسب ترین جاذب های نور در سلول های خورشیدی نانوساختاری به کار گرفته می شود.
این نقاط کوانتومی تنها نور مرئی با گستره انرژی بزرگتر از 2/4 الکترون ولت را می تواند جزب کند. برای برطرف کردن این موضوع، نانوذرات PbS بهعنوان یک ماده مناسب در سلولهای خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی بهکار گرفته میشود و با شکاف انرژی در حدود 0/41 الکترون ولت تقریبا تمام گستره انرژی خورشید را میپوشاند .فوتوآند شامل نانوذرات، سطح موثر
بالایی برای جذب نقاط کوانتومی ایجاد میکند اما از طرفی نرخ انتقالات الکترونی آن پایین است.
در همین راستا به منظور رفع این مشکل از نانو ساختارهای یک بعدی مانند نانو میلهها، نانو لولهها و نانو فیبرها و ساختارهای پراکنندهی نور مانند نانو کرههای توخالی و ...، در فوتوآند این دسته از سلولهای خورشیدی استفاده میشود. در این تحقیق تلاش میشود با استفاده از حساس سازی لایه نانوساختاری TiO2 با نقاط کوانتومی PbS و CdS و بهینهکردن ضخامت لایههای حساسکننده بازدهی تبدیل انرژی سلولهای خورشیدی مرتبط را افزایش داد.
شرح آزمایش
ساخت سلول خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی در چهار مرحله انجام میگیرد. این مراحل شامل آماده سازی الکترود شمارنده، تهیه الکترولیت پلی سولفید و بستن سلول خورشیدی میباشند. در این پژوهش از نقاط کوانتومی CdS و PbS بهعنوان حساس کننده در سلول های خورشیدی نانو ساختاری TiO2 استفاده می شود. نانوذرات TiO2 به روش هایدروترمال در یک محیط اسیدی و با پیش ماده TTIP تهیه می شود. برای تهیه خمیر شامل نانوذرات TiO2، مقادیری مشخص از پلیمر اتیل سلولز و ترپینئول را به محلول اتانولی شامل نانوذرات TiO2 اضافه شده و در حمام آب 40 درجه قرار می گیرد تا خمیر %18 وزنی از نانو ذرات آماده شود.
در نهایت با استفاده از این خمیر یک لایه از این نانوذرات با ضخامت 6ʽm به روش دکتر بلید بر روی شیشه هادی شفاف FTO لایه نشانی می شود. لایه متشکل از نانوذرات TiO2 لایه نشانی شده به صورتH1 نامگذاری می شود. سپس نانو میله های TiO2 بر روی نانوذرات TiO2 به روش هایدروترمال رشد داده میشوند. بدین صورت که 25ml آب یون ذایی شده را با 25ml هیدروکلریک اسید غلیظ مخلوط می شود و پس از گذشت 10 دقیقه، 0/6ml تیتانیوم تترابوتیل تیتانات ا به آن اضافه می شود و به مدت 10 دقیقه هم میخورد. سپس زیر لایه های FTO و نانوذرات TiO2 درون اتوکلاوه قرار داده می شوند و محلول تهیه شده به آن اضافه می شود.در نهایت اتو کلاو به منظور انجام فرایند هایدروترمال در زمان 6 ساعت در دمای160 c° قرار می گیرد.
پس از انجام فرآیند هایدروترمال لایه ها با آب یون زدایی شده شستشو می شوند و به عنوان فوتوآند سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی مورد استفاده قرار می گیرند. به منظور حساس سازی فوتوآند در این سلول های خورشیدی ، نقاط کوانتومی CdS به روش سیلار بر سطح فوتوآند رشد داده می شوند. در این فرآیند ابتدا فوتوآند را در محلول M 0/1 در متانول قرار می دهیم.
سپس فوتوآند را در محلول 0/1M از Na2S در متانول و آب یون زدایی شده قرار می گیرد. به منظور انتقالات بهتر الکترونی، برای ساخت سلولهای خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی PbS/CdS ابتدا نقاط کوانتومی PbS به روش سیلار بر سطح فوتوآند رشد داده می شوند. برای این منظور، ابتدا فوتوآند در محلول 0/02 مولار از Pb - NO3 - 2 در آب یون زدایی به مدت 30 ثانیه قرار می دهیم. سپس فوتوآند در آب یون زدایی شده کاملا شده و در محلول 0/02 مولار Na2S در آب یون زدایی شده به مدت 30 ثانیه دیگر قرار میگیرد. در نهایت نیز شستشوی دوبار با آب یون زدایی شده انجام می گیرد.
در مرحله آخر نیز برای پایداری بیشتر
فوتوآند و بهبود عملکرد سلول خورشیدی یک لایه ZnS به روش سلار برروی فوتوآند لایه نشانی می شود.در این مرحله از محلول-های 0/1 مولار آبی Zn - CH3COO - 2 و Na2S استفاده می شود. فرآیند بعدی آماده سازی الکترود شمارنده CuS است. در این فرآیند نیز از روش لایه نشانی سیلار استفاده می شود. در ابتدا شیشه/ هادی شفاف در محلول 0/5 مولار از Cu - NO3 - 2 در اتانول قرار می گیرد و با اتانول شستشو داده می شود.
سپس زیرلایه در محلول 0/5 مولار از Na2S در اتانول و آب DI قرار داده می شود. ساخت الکترولیت پلی سولفید نیز با تهیه محلولی 1 مولار از Na2S، 0/2 مولار از KCl و 2 مولار از S در آب و اتانول به نسبت 3/7 تهیه می گردد. در این تحقیق تصاویر SEM انجام گرفت. اندازه گیری مشخصه I-V سلول نهایی با سطح موثر 0/16 سانتی متر مربع و در شرایط تابش نور خورشید 1/5 Am انجام شد. همچنین اندازه گیری بازده طیفی سلول خورشیدی یا بازده کوانتومی خارجی سلول - - IPCE با تاباندن نور با طول موج مشخص به سلول و اندازه گیری جریان سلول انجام گرفته شد.
