بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش با استفاده از روش الکتروشیمیایی آندي به ساخت نانوذرات اکسید قلع با محلول الکترولیت حاوي پایدارساز تترامتیلآمونیوم کلراید و تترابوتیلآمونیوم کلراید پرداختیم سپس به بررسی خواص بلوري و نوري نانوذرات ساختهشده پرداختیم. طیف پراش پرتو ایکس نشان داد که نانوذرات تولیدشده توسط محلول حاوي یون تترابوتیلآمونیوم داراي میانگین بلوركهاي بزرگتري نسبت به نانوذرات ساختهشده از محلول حاوي یون تترامتیلآمونیوم هستند.
ریختشناسی نانوذرات توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی مورد مطالعه قرار گرفت که نشان داد اندازهي نانوذرات در نمونهي تهیهشده با یون تترابوتیلآمونیوم کوچکتر هستند. سپس به ساخت سلول خورشیدي حساسشده به رنگ پرداختیم و خواص الکتریکی آن را مطالعه کردیم. نمودار جریان-ولتاژ نشان داد که با تغییر یون پایدارساز از تترامتیلآمونیوم به تترابوتیلآمونیوم بازدهی سلول خورشیدي تا مقدار % 1/33 افزایش یافته است. همچنین نمودار جذب رنگ سلولها حاکی از این است که نمونهي ساختهشده با یون تترابوتیلآمونیوم داراي جذب رنگ بهتري شده است.
مقدمه
سلولهاي خورشیدي امروزه مورد توجه بسیار زیادي قرار گرفتهاند. از مهمترین پارامترهاي سلولهاي خورشیدي هزینهي تمامشدهي آن نسبت به توان خروجی آنها است. در این میان سلولهاي خورشیدي نسل سوم با تمرکز بر این عامل معرفی شدند. دانشمندان با تولید نانوساختارهاي اکسید فلزي ارزانقیمت و استفاده از رنگهاي طبیعی به این هدف رسیدند .[1] فارغ از نوع رنگدانهي انتخابی براي سلول خورشیدي، بیشترین تحقیقات سلولهاي خورشیدي حساسشده به رنگ، بر روي نانوساختارهاي اکسید فلزي انجام شده است که نقش جذب حداکثري رنگدانهها و همچنین هدایتکنندهي الکترونها از رنگدانهها به آند را دارد .[2] در این میان بیشتر از اکسیدهاي فلزي TiO2، ZnO و SnO2 استفاده میشود که بازدهی سلولهاي خورشیدي اکسید تیتانیوممعمولاً بالاتر است.
این در صورتی است که نانوذرات اکسید قلع بر خلاف پتانسیلهایی که دارد کمتر مورد توجه قرار گرفته است. ازجمله مزایاي اکسید قلع میتوان به تحرك بالاي حاملهاي بار در آنها - تحرك الکترونها در SnO2 1000 برابر بالاتر از TiO2 است - که موجب افزایش توان انتقال بار در آنها میشود و همچنین پایداري بسیار بالاي آن تحت تابش امواج فرابنفش که نویدبخش ساخت سلولهایی با عمر بالاتر است اشاره کرد .[3]
در این تحقیق با استفاده از روش الکتروشیمیایی آندي به تولید نانوذرات اکسید قلع با الکترولیتهاي پایدارساز تترامتیلآمونیوم کلراید و تترابوتیلآمونیوم کلراید پرداختهایم. ساختار شیمیایی این دو پایدارساز شبیه هم هستند با این تفاوت که یون تترابوتیلآمونیوم داراي طول بازوهاي کربنی بزرگتري نسبت به یون تترامتیلآمونیوم است. به این ترتیب عامل طول بازوي کربنی میتواند در شکل گیري نانوذرات موثر باشد. در نهایت با استفاده از این نانوذرات، سلولهاي خورشیدي حساسشده به رنگ ساخته و خواص الکتریکی و نوري آنها را مورد مطالعه قرار دادهایم.
روشهاي تجربی
با استفاده از الکترود فلزي قلع در نقش آند و الکترود مقابل استیل در نقش کاتد و پایدارسازهاي تترامتیلآمونیوم کلراید و تترابوتیلآمونیوم کلراید در نقش الکترولیت با غلظت 0/02 مولار به ساخت سلول الکتروشیمیایی پرداختیم. pH محلول را در مقدار 7 تنظیم کردیم. با اعمال ولتاژ ثابت 10 ولت و پس از گذشت 30 دقیقه از آزمایش، محلول سفیدرنگی به دست آمد که پس از سانتریفیوژ و خشکسازي، در دماي 700 درجهي سانتیگراد حرارت دید تا محصولات نهایی پس از بازپخت آماده گردند.
سپس با ترکیب نانوذرات با ترپینول، اتیلن سلولز و اتانول و قرار دادن در معرض امواج صوتی به مدت 10 دقیقه محلول یکنواخت به دست آمده را روي اجاقک تا دماي 80 درجهي سانتیگراد گرما داده و بهخوبی هم زدیم تا خمیر یکنواخت و مطلوبی تهیه گردد. خمیر به دست آمده به روش دکتر بلید بر روي FTO لایهنشانی شد و به مدت 1 ساعت در دماي 450 درجهي سانتیگراد گرمادهی شد تا آند نوري تهیه شود. سپس به مدت 24 ساعت داخل محلول رنگ N719 قرار گرفت تا رنگآمیزي شود. در نهایت پس از خارج کردن آند از رنگ با استفاده از محلول الکترولیت - I-/I3- - و الکترود شفاف مقابل لایهنشانی شده توسط پلاتین به ساخت سلول خورشیدي پرداختیم.
نتایج و بحث
ساختار بلوري نمونههاي به دست آمده توسط پراش پرتو ایکس مورد مطالعه قرار گرفت که نتایج آن را در شکل 1 مشاهده میکنید. قلههاي به دست آمده به ترتیب مطابق با صفحات بلوري - 110 - ، - 101 - ، - 200 - ، - 111 - ، - 211 - ، - 220 - ، - 022 - ، - 310 - ، - 112 - ، - 301 - ، - 202 - و - 321 - اکسید قلع تتراگونال است - کارت شماره .[4] - JCPDS 00-005-0467 این نمودار نشان میدهد که اکسید قلع ساختهشده داراي هیچگونه فاز ناخالصی نیست و از خلوص SnO2 بالایی برخوردار است. همانطور که دیده میشود هر دو نمونهي پایدار ساز در تهیه نانوذرات با فاز خالص SnO2 موفق بودهاند.
با استفاده از رابطهي دباي-شرر مقادیر 18/01 و 19/62 نانومتر براي میانگین اندازهي بلوركها براي نانوذرات اکسید قلع تهیهشده با تترامتیلآمونیوم کلراید و تترابوتیلآمونیوم کلراید به دست آمد. به منظور بررسی مورفولوژي نمونهها و تقریبی از اندازهي نانوذرات ساختهشده با استفاده از تصاویر FESEM به بررسی نمونههاي ساختهشده با یونهاي مختلف تترامتیلآمونیوم و تترابوتیلآمونیوم پرداختیم. شکل 2 تصاویر میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی را براي 2 نمونهي تولیدشده نمایش میدهد.
همانطور که مشاهده میشود نمونهي ساخته شده با یون نتیجهگیري میشود، بازدهی سلول ساخته شده بر اساس یون تترابوتیلآمونیوم بالاتر از نمونهي ساخته شده بر اساس یون تترامتیلآمونیوم است که علت آن به وضوح، بیشتر شدن جریان عبوري از سلول است. به صورت کلی افزایش شدتجریان عبوري یا چگالی جریان را به جذب رنگ بیشتر نسبت میدهند .[5] از این رو در ادامه براي بررسی این پارامتر به بررسی طیف جذبی رنگ واداده از سلول پرداختیم.
پس از رنگآمیزي آند نوري توسط محلول رنگ N719 با استفاده از محلول NaOH اقدام به شستن رنگ جذبشده توسط آند نوري کردیم. در ادامه با گرفتن طیف جذبی از نمونههاي تولیدشده با یونهاي مختلف تترابوتیلآمونیوم و تترامتیلآمونیوم توسط طیفسنج UV-Visible میزان جذب رنگ توسط سلولهاي خورشیدي را بررسی کردیم که در شکل 4 مشاهده میشود. تترابوتیلآمونیوم داراي ذرات کوچکتري نسبت به نمونهي ساختهشده با یون تترامتیلآمونیوم است. همچنین یکنواختی بیشتري در توزیع اندازهي نانوذرات در نمونهي تولیدشده با یون تترابوتیلآمونیوم دیده میشود.
