بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق ساخت سلول خورشیدي رنگدانه اي - DSSC - با استفاده از نانوذرات دي اکسید تیتانیوم P-25 گزارش شده است. خمیر TiO2 با استفاده از نانوذرات TiO2، اسید نیتریک به عنوان عامل پراکنده کننده ذرات و پلی اتیلن گلیکول براي ایجاد چسبندگی در محلول آبی ساخته شد . سپس براي تهیه فوتوالکترود سلول، خمیر نهایی بر روي یک زیرلایه شیشه اي با پوشش سطحیFTO - هادي شفاف - با روش دکتر بلید لایه نشانی شد. در ادامه سایر مراحل ساخت سلول خورشیدي رنگدانه اي شامل جذب رنگ، ساخت شیشه هادي پلاتینیزه شده به عنوان الکترود شمارنده، تزریق الکترولیت I-/I3- و بستن سلول انجام گرفت. توزیع اندازه نانوذرات با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی SEM بدست آمد و ذراتی با اندازه هاي بین 30-25 نانومتر را نشان داد. سطح موثر نانوذرات نیز با استفاده از آنالیز اندازه گیري سطح BET در حدود 40 m2/g بدست آمد. تاثیر مراحل تهیه خمیر TiO2 ، ضخامت لایه فوتوالکترود و همچنین جذب رنگ آن بر بازدهی سلول مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که بهترین عملکرد سلول در ضخامت هاي فوتوالکترود در حدود 13 میکرومتر بدست می آمد. سلول تهیه شده در این شرایط چگالی جریان اتصال کوتاه 14.1 mA/cm2، ولتاژ مدار باز 715 mV و بازدهی تبدیل % 6.1 را نشان داد.
مقدمه
PACS No. 81,89,72 مورد بررسی در دهه هاي اخیر می باشد. تبدیل ارزان انرژي استفاده از انرژي هاي پاك و تجدیدپذیر یکی از موضوعات مهم خورشید به الکتریسیته و پیدا کردن رهیافت هاي جدید براي آن یکی از موضوعاتی است که محققین زیادي را به خود مشغول داشته است. سلول هاي خورشیدي نانوساختار رنگدانه اي به دلیل هزینه پایین و سادگی ساخت و همچنین بازدهی قابل قبول جایگزین مناسبی براي سلولهاي خورشیدي سیلیکونی گران قیمت و مبتنی بر پیوند p-n می باشند. ایده مربوط به ساخت این سلولها توسط میشائیل گراتزل در اوایل دهه 1990 ارائه شد. سلولهاي خورشیدي رنگدانه اي شامل یک فوتوالکترود از جنس "شیشه/ هادي شفاف/ نانوذرات دي اکسید تیتانیوم/ رنگدانه" و یک الکترود شمارنده از جنس " شیشه/هادي شفاف/پلاتین و" همچنین یک الکترولیت مایع شامل یونهاي I-/I3- می باشند.
لایه نانوساختاري TiO2 با سطح موثر زیاد با مولکولهاي رنگ با جذب مناسب در محدوده طول موجهاي پر شدت طیف نور خورشید حساس می شود. با جذب نور خورشید توسط رنگدانه ها، الکترونهاي برانگیخته از طریق لایه متخلخل TiO2 به مدار خارجی منتقل می شوند. در ادامه این الکترونها از طریق الکترود پلاتین و الکترولیت مجددا به رنگدانه تحویل می شوند و مدار جریان کامل می گردد. تا کنون تحقیقات بسیار زیادي به منظور افزایش بازدهی این نوع از سلولهاي خورشیدي صورت گرفته است. این تحقیقات در حوزه هاي ساخت نانوذرات TiO2به روشهاي مختلف و کنترل خاصیت کریستالی آنها، روشهاي مختلف لایه نشانی این نانوذرات و کنترل کیفیت لایه، انتخاب و تهیه رنگدانه ها با ساختار انرژي الکترونی مناسب، تهیه الکترولیت هاي کارامد و همچنین الکترود شمارنده ارزان قیمت و مناسب بوده است.
همانطور که گفته شد تهیه لایه نانوساختار TiO2 یکی از مهمترین مراحل ساخت سلول هاي خورشیدي رنگدانه اي است که تاثیر عمده اي بر بازدهی نهایی آن دارد. براي تهیه این لایه از خمیر TiO2 که به روشهاي مختلف بر زیرلایه شیشه/هادي شفاف جایگذاري می شود استفاده می گردد. راههاي متعددي براي تهیه خمیر متشکل از نانوذرات TiO2 به منظور کنترل چسبندگیخمیر و مجزا نگه داشتن نانوذرات درآن وجود دارد. روشی که براي تهیه خمیرTiO2 استفاده می شود، تاثیر زیادي روي تخلخل لایه نازك تهیه شده و چسبندگی آن به زیر لایه شیشه/هادي شفاف دارد.گزارش هاي متعددي براي تهیه خمیر TiO2 در محلول هاي اتانولی و همچنین محلول هاي آبی داده شده است.
در این تحقیق، خمیر TiO2 در یک محیط آبی با استفاده از پودر P-25 نانو ذرات TiO2 تهیه شد. استفاده از غلظت هاي مناسب اسید نیتریک به عنوان عامل جداکننده ذرات و همچنین پلی اتیلن گلیکول به منظور افزایش چسبندگی منجر به تهیه یک خمیر همگن و مناسب TiO2 گردید. براي ساخت فوتوآند سلول، خمیر تهیه شده با شرایط مختلف روي زیر لایه شیشه/ هادي شفاف FTO به روش دکتر بلید لایه نشانی شد. با انجام فرایندهاي بعدي ساخت سلول خورشیدي - DSC - شامل جذب مولکول هاي رنگ بر سطح لایه نانوساختارTiO2، تزریق الکترولیت، تهیه الکترود پلاتین و بستن سلول، آنالیزهاي فوتوولتایی سلولهاي ساخته شده انجام گرفت. تاثیر عوامل مهم بر بازدهی سلول از جمله تهیه خمیر و لایه یکنواخت TiO2، ضخامت لایه نانوساختاري TiO2 و فرایند جذب رنگ در سلول هاي تهیه شده مورد بررسی قرار گرفت. درنهایت شرایط بهینه براي ساخت این نوع از سلول براي دستیابی به بازدهی هاي بالاتر گزارش شده است.
روش آزمایش
در ابتدا یک محلول آبی از پودر P-25 نانوذراتدرصد TiO2 با وزنی % 5 حاوي 5 ml اسید نیتریک % 65 به عنوان عامل جداکننده نانو ذرات، تهیه شد. سپس این محلول در دماي80 ˚C به مدت 8 h براي جدایش و پخش مناسب نانوذرات TiO2 در حمام آب حرارت دهی گردید. محلول در طول این زمان به طور مداوم هم می خورد. در مرحله بعد محلول بدست آمده تا اندازه اي مناسب خشک شد تا خمیري شکل شود. سپس با استفاده از خمیر بدست آمده TiO2 - NO3 - - یک محلول آبی با درصد وزنی %20 تهیه گردید و به آن 2/4 گرم پلی اتیلن گلیکول اضافه شد. پلی اتیلن گلیکول براي افزایش چسبندگی خمیر و تخلخل لایه TiO2 جایگذاري شده بر بستر استفاده می گردد. در نهایت پس از 24 h هم خوردن محلول نهایی آبزدایی گردید تا خمیر چسبنده نهایی تشکیل شود.
خمیر TiO2 نهایی روي یک زیرلایه شیشه/ هادي شفاف FTO - 15Ω/□ - به روش دکتر بلید لایه نشانی گردید. در این فرایند پس از خشک کردن ابتدایی هر لایه در دماي 120˚C براي 10 min، لایه هاي بعدي به صورت مشابه جایگذاري شدند. در نهایت فیلم TiO2 با تعداد لایه هاي مختلف در کوره با دماي 500˚C به مدت 1 h خشک گردید تا چسبندگی لایه به زیرلایه افزایش یافته و نانوذرات نیز به همدیگر به طور جزئی بچسبند. فوتو آند تهیه شده به مدت 24 h در محلول رنگ N719 قرار گرفت. براي اطمینان از پوشش کامل یک لایه از مولکولهاي رنگ جذب شده بر سطح فوتوآند سطح فیلم با اتانول شسته شد. سپس الکترود پلاتین با چکاندن قطره اي از محلول PtCl6رويH2 شیشه هادي FTO و حرارت دهی آن در دماي400 ˚C به مدت 30min تهیه گردید. فرایند بستن سلول با استفاده از الکترود TiO2 حساس شده به رنگ و الکترود شمارنده پلاتینیزه شده و تزریق الکترولیت I-/I3- انجام شد.[1] تصاویر میکروسکوپ الکترونی SEM با استفاده از دستگاه Hitachi تهیه شده اند. آنالیز سطح موثرتگاهBET با دس تلسبسJفممفشلشطفبلثشچسع و طیف سنجی هاي اپتیکی UV-Vis با اسپکتروفوتومترOptizen POP انجام گرفته اند. اندازه گیري مشخصه I-V سلولهاي نهایی با سطح فعال فوتوآند 0/25 cm2 در شرایط تابش نور خورشید 5انجام.AM-1 شده اند.
نتایج و بحث
ضخامت لایه نانوساختار TiO2 در فوتو آند سلول خورشیدي نقش بسیار مهمی در بازدهی نهایی سلول دارد. ضخامت هاي کم لایه می تواند منجر به جذب رنگ بسیار کم و در نتیجه بازدهی پایین سلول خورشیدي رنگدانه اي شود. ضخامت هاي زیاد لایه فوتوالکترود نیز می تواند موجب بازترکیب بیشتر حاملها در لایه فوتوالکترود و همچنین کیفیت نامناسب لایه و ایجاد ترك هاي متعدد در آن شود. این ترك ها منجر به بازترکیب مجدد الکترونهاي منتقل شده به الکترود هادي شفاف در فوتوالکترود و الکترولیت شده و بازدهی سلول را به طور قابل توجهی کاهش می دهند. شکل1 تصاویر SEM از لایه نانوساختار TiO2 بعنوان فوتوالکترود سلول خورشیدي رنگدانه اي را نشان می دهد.
ضخامت این لایه در شکل1 - الف - برابر 9 میکرومتر و در شکل1 - ب - برابر 13 میکرومتر است. همانطور که دیده می شود، لایه متشکل از ذرات بسیار ریز کروي شکل است که در نقاطی از لایه به هم چسبیده و کلوخه هایی با ابعاد چند صد نانومتر را ایجاد کرده اند. حضور این کلوخه هاي بزرگ می تواند نور فرودي به سلول را در زوایاي مختلف پراکنده کرده و باعث افزایش طول مسیر نور در سلول و افزایش بازدهی نهایی گردد. همانطور که دیده می شود، تعداد این کلوخه ها در لایه با ضخامت 13 میکرومتر بیشتر و اندازه هاي آنها نیز بزرگ تر است. پراکندگی بیشتر نور در این فوتوالکترود می تواند منجر به بازدهی بیشتر سلول در این شرایط گردد. شکل 2 توزیع اندازه نانوذرات TiO2 تشکیل دهنده فوتوالکترودها را نشان می دهد که از تصاویر شکل 1 بدست آمده
