بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، ساخت سلول خورشیدی پروسکایت تککاتیونه انجام گرفته است که لایهنشانی اتصال پشتی سلول خورشیدی یعنی الکترود طلا با دو روش تبخیرحرارتی و اسپاترینگ انجام شد و نتایج مربوط به این دو حالت مورد بررسی و آنالیز قرار گرفت. بیشترین بازده سلول خورشیدی مربوط به لایهنشانی تبخیرحرارتی%6/90 با فاکتور پرشدگی 0/64 و بیشترین بازده مربوط به لایهنشانی اسپاترینگ %3/2 با فاکتورپرشدگی 0/50 میباشد. نتایج نشاندهندهی بهبود عملکرد سلول خورشیدی پروسکایت با استفاده از لایهنشانی تبخیرحرارتی طلا میباشد. همانگونه که تصاویر FESEM گویای آن است علت این امر نفوذ ذرات طلا به درون لایهی انتقالدهندهی حفره و لایهی پروسکایت در روش اسپاترینگ بوده که باعث کاهش کیفیت لایهی پروسکایت و اتصال کوتاه شدن سلول خورشیدی در این حالت میشود.
مقدمه
سلولهای خورشیدی نسل جدید پروسکایت به دلیل رشد قابل توجهی که در بازدهیشان داشتهاند، در سالهای اخیر مورد توجه تحقیقات زیادی قرار گرفتهاند. پیشرفت سریع در این زمینه به دلیل ویژگیهای منحصربفردی است که مادهی پروسکایت داراست، از جمله: ضریب جذب نور بالا ، طول پخش زیاد، تحرک بالای حاملان بار و باند گاف مناسب و قابل تنظیم.[1] پروسکایتها بدلیل دارا بودن این ویژگیها، کاربردهای دیگری در ادوات اپتوالکتریکی از جمله: ترانزیستورهای لایه نازک و دیودهای نوری نیز دارند .[1] میاساکا و همکاران در سال 2009 نخستین سلولهای خورشیدی پروسکایتی با بازدهی %3/8 را با استفاده ازپروسکایتهای CH3NH3PbI3 و CH3NH3PbBr3 به عنوان جاذب نور بر روی لایههای مزومتخلخل TiO2 با الکترولیتهای هالید نشان دادند.[2]
پیشرفت های بیشتر در این زمینه توسط پارک و همکاران در سال 2011 از طریق بهینهسازی دقیق ضخامت لایهی مزومتخلخل و غلظت پروسکایت بدست آمد و بازدهی %6/5 گزارش شد .[3] با وجود بازدهیهای بدست آمده در این پیکربندیها، ناپایداری کلی سلول های خورشیدی به علت انحلال پروسکایت در الکترولیت مایع همچنان یک چالش باقی ماند.[4] یک پیشرفت غیرمنتظره در افزایش بازدهی و پایداری سلولهای خورشیدی پروسکایتی در سال 2012 توسط پارک، گرتزل و همکاران با استفاده از یک انتقالدهندهی حفره حالت جامد - اسپایروامتاد - به دست آمد، که بازدهی %9/7 گزارش شد.
[5] غلبه بر مشکل انحلال MAPbI3 در الکترولیت مایع مشاهده شده در دو اثر پیشگام مهم در سال های 2009 و 2011، همچنین روش ساخت آسان و عملکرد فتوولتائیکی بینظیر این دسته از سلولهای خورشیدی باعث شکلگیری موج خروشانی از تحقیقات در این زمینه شد.[6] توسعه اخیر فنآوری سلولهای خورشیدی پروسکایتی باعث ایجاد یک بازده تبدیل انرژی بیسایقه از %3/8 تا 22%/1 درکمتر از 7 سال شده است.[7]
ساخت سلول خورشیدی پروسکایت
برای ساخت سلول خورشیدی ابتدا زیرلایههای رسانای اکسیدقلع فلوئوردار، برش داده شد. مرحلهی سونش به منظور جلوگیری از اتصال کوتاه شدن سلول نهایی انجام گرفت. در این مرحله، قسمتی از زیرلایهی رسانا با استفاده از پودر روی و هیدروکلریک اسید، برداشته میشود. سپس مراحل شستشو با دقت و به ترتیب زیر انجام داده شد: شستشو با آب و صابون/ شستشو با اتانول/ شستشو با استون/ شستشو با ایزوپروپانول الکل. در هر کدام از مراحل، زیرلایهها به مدت 10 دقیقه در دستگاه حمام فراصوت، شستشو داده شدند. سپس جهت برطرف کردن آلودگیهای احتمالی موجود بر روی زیرلایههای رسانا، قبل از اولین لایهنشانی، زیرلایهها به مدت 13 دقیقه تحت تابش UV-Ozone قرار گرفتند.
اولین مرحله لایهنشانی، لایهی بلاک میباشد. جهت آمادهسازی محلول بلاک ابتدا 369 میکرولیتر تیتانیوم تترا ایزو پروپوکساید را با 2/53 میلیلیتر اتانول حل کرده و در حالی که بر روی استیرر هممیخورد، محلول دوم که ترکیبی از 35 میکرولیتر هیدروکلریک اسید با 2/53 میلیلیتر اتانول میباشد، قطرهقطره به آن اضافه گردید. محلول نهایی بلاک با فیلتر سرسرنگی 220 نانومتر فیلتر شد. لایهنشانی بوسیلهی دستگاه لایهنشانی چرخشی به روش اسپینکستینگ، با دور لایهنشانی 2000 در مدت زمان 30 ثانیه صورت گرفت. به ازای هر زیرلایه با ابعاد 1/4*1/4 سانتیمتر، مقدار 0/25 میلیلیتر از محلول بلاک استفاده گردیده است.
بعد از اتمام لایهنشانی، گوشهی زیرلایه - موازی قسمت سونش شده - با گوشپاککن آغشته به اتانول با دقت پاک شد. پس از آن نمونهها به مدت 1ساعت تا دمای 500 درجهی سانتیگراد در کوره حرارت داده شدند. لازم بذکر است که لایهی بلاک جهت جلوگیری از بازترکیب الکترون و حفرههای تولید شده ناشی از تابش ضروری است.[8] دومین مرحله، لایهنشانی لایه مزومتخلخل TiO2 میباشد، که پس از خنک شدن زیرلایهها انجام شد. ابتدا خمیر 20 نانومتری TiO2 با اتانول با نسبت وزنی 1 - 1 : 5/5گرم خمیر با 5/5 گرم اتانول - ترکیب شد و سپس به مدت حداقل هفت ساعت بر روی همزن مغناطیسی تحت چرخش قرارگرفت.
لایه نشانی به روش اسپینکوتینگ با دور 5000 در مدت زمان 30 ثانیه صورت گرفت. در این مرحله نیز گوشهی زیرلایه با گوشپاککن آغشته به اتانول پاک شد، سپس نمونهها به مدت نیمساعت تا دمای 500 درجهی سانتیگراد در کوره حرارت داده شدند. سومین مرحلهی لایهنشانی، لایهنشانی پروسکایت میباشد که پس از خنک شدن زیرلایهها صورت گرفت. پروسکایت به روش تک مرحلهای لایهنشانی شد. جهت آمادهسازی محلول پروسکایت ابتدا 0/36گرم PbI2 با 601میکرولیتر DMSO ترکیب گردید. این محلول به مدت 10 دقیقه بر روی هیتر 150 درجهیسانتیگراد با دست همزده شد.
سپس به ازای 0/583 میلیلیتر از این محلول 0/11 گرم متیلآمونیومیدید - MAI - به آن اضافه شد. به ازای هر زیرلایه مقدار 40 میکرولیتر از محلول پروسکایت به روش اسپینکوتینگ در دو مرحله به صورت زیرلایهنشانی گردید: Step1: 1000 rpm/ ramp5/ 10 sec Step2: 4000 rpm/ ramp 3/20 sec 15 ثانیه مانده به پایان step2، 300 میکرولیتر کلروبنزن به عنوان ضدحلال روی نمونه ریخته شد. بلافاصله نمونهها بر روی هیتر 100 درجهی سانتیگراد به مدت 45 دقیقه قرارگرفتند. به منظور لایهنشانی لایهی انتقالدهندهی حفره، ابتدا 72/3 میلیگرم اسپایروامتاد در 1 میلیلیتر کلروبنزن حل گردید.
همچنین محلول دیگری از 520 میلیگرم LiTFSI در 1 میلیلیتر استونیتریل تهیه گردید. 28/8 میکرولیتر ترتبوتیلپیریدین به محلول اول اضافه شد سپس 17/5 میکرولیتر از محلول نمک LiTFSI به محلول اول اضافه گردید. لایهنشانی محلول نهایی اسپایروامتاد به روش اسپینکوتینگ با دور لایهنشانی 4000 در مدت زمان 30 ثانیه صورت گرفت. در نهایت با گوشپاککن آغشته به استون گوشهی زیرلایه پاک شد. بعد از گذشت مدت زمان 12ساعت، لایهنشانی طلا برای تعدادی از نمونهها با روش تبخیرحرارتی و تعدادی دیگر با روش اسپاترینگ انجام گرفت. لازم بذکر است که مواد اصلی مورد نیاز، از شرکت شریف سولار خریداری گردیده است.
نتایج
نمودار J-V نمونهها در شکل1 نشان داده شده است. نمودار a مربوط به لایهنشانی طلا با روش تبخیرحرارتی و نمودار b مربوط به لایهنشانی طلا با روش اسپاترینگ میباشد. تصاویر FESEM سطح مقطعی نمونهها برای لایهنشانی با روش اسپاترینگ و تبخیرحرارتی به ترتیب در شکلهای .2الف و .2ب نشان داده شده است.
