بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش از نقاط کوانتومی CdS ،CdSe و ZnS به عنوان حساس کننده در سلول های خورشیدی نانو ساختاری مبتنی بر TiO2 استفاده شده است. نانوذرات TiO2 تهیه شده به روش هایدروترمال به عنوان فوتوآند بر سطح زیرلایه شیشه/هادی شفاف جایگذاری می گردند. به منظور حساس سازی فوتوآند، نقاط کوانتومی CdS به روش جذب متوالی لایه های یونی و انجام واکنش - SILAR - بر سطح فوتوآند رشد داده می شوند. سپس نقاط کوانتومی CdSe به روش لایه نشانی حمام شیمیایی - CBD - رشد داده می شوند.
در مرحله آخر بهبود بازدهی سلول خورشیدی با لایه نشانی یک لایه از ZnS انجام می گیرد. نتایج نشان داد که سلول خورشیدی تهیه شده با حساس سازی فوتوآند با نقاط کوانتومی CdS در طی 4دوره لایه نشانی، نقاط کوانتومی ZnS طی 3 دوره لایه نشانی و نقاط کوانتومی CdSe به مدت زمان CBD برابر 6 دقیقه بدست می آمد. این سلول خورشیدی دارای پارامتر های فوتوولتایی چگالی جریان 11/68 mA/cm2 - Jsc - ، ولتاژ مدار باز 630 mv - Voc - و بازدهی - - %4/03 می باشد.
مقدمه
محدود بودن منابع انرژی فسیلی و مشکلات ناشی از انتشار گازهای گلخانه ای، ضرورت توجه بیش از پیش به انرژی های تجدید پذیر را نمایان می سازد. از میان انرژی های تجدید پذیر انرژی خورشیدی یکی از بزرگترین منابع انرژی در جهان است. سلول های خورشیدی ابزاری هستند که نور خورشید را بر طبق اثر فوتوولتاییک به جریان الکتریسیته تبدیل می کنند. نسل اول سلول های خورشیدی، سلول های خورشیدی سیلیکونی هستند که با وجود بازدهی بالا دارای هزینه ساخت زیادی می باشند.
این موضوع باعث شده است که استفاده از این سلول ها در کاربردهای معمول محدود گردد. نسل دوم سلول های خورشیدی، سلولهای خورشیدی لایه نازک می باشند که با وجود هزینه ساخت کمتر بازدهی پایینتری نسبت به سلول های خورشیدی سیلیکونی دارند. در نهایت نسل سوم سلول های خورشیدی شامل تمامی سیستمهای فوتوولتایی است که از انواع ساختارهای نانومتری استفاده می کنند. از مهمترین انواع این دسته از سلولهای خورشیدی می توان به سلول های خورشیدی رنگدانه ای، پلیمری ونقاط کوانتومی اشاره کرد.
ایده اولیه ی سلول های خورشیدی رنگدانه ای توسط شخصی به نام گراتزل در سال 1991 مطرح شد. ساده بودن و هزینه پایین مراحل ساخت و بازدهی تبدیل انرژی مناسب این سلولها در مقایسه با انواع دیگر سلول های خورشیدی از مهم ترین مشخصه های این نوع سلول هاست. در سال های اخیر سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی تحقیقات وسیعی را به خود اختصاص داده اند. در این سلولها به جای رنگدانه از نانوذرات نیمه رسانا به عنوان جاذب نور خورشید بر سطح فوتوالکترود تیتانیوم دی اکسید استفاده می شود.
بنابراین تفاوت های عمده ای بین سلول های خورشیدی حساس شده با رنگدانه و حساس شده با نقاط کوانتومی به لحاظ نوع ماده جاذب فوتون، الکترولیت مورد استفاده وجود دارد. نکته قابل توجه در مورد سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی، روند رو به رشد و سریع افزایش بازدهی این سلولها در سال های اخیر می باشد که نقش مؤثری در افزایش میزان تحقیقات علمی در این زمینه داشته است. نقاط کوانتومی نانو ذرات نیمه رسانای صفربعدی هستند که نسبت به ذرات در مقیاس بزرگتر رفتار متفاوتی را نشان می دهند.
نقاط کوانتومی با استفاده از ابعاد در محدوده نانومتری خود از قابلیت های مهمی برای برهم کنش نوری با منبع نور برخوردار هستند. نقاط کوانتومی به عنوان حساس کننده در سلول های خورشیدی به دو روش عمده شامل روش جذب متوالی لایه های یونی و انجام واکنش - SILAR - و روش لایه نشانی حمام شیمیایی - CBD - ، سنتز می شوند.[1] سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی شامل یک فوتوآند از جنس "شیشه/هادی شفاف/نانوذرات تیتانیوم دی اکسید/نقاط کوانتومی" و یک الکترود شمارنده از جنس "شیشه/هادی شفاف/سولفید مس" و همچنین الکترولیت پلی سولفید می باشد. در این میان ساختار فوتوآند نقش بسیار مهمی در افزایش بازدهی سلول خورشیدی دارد.
در این تحقیق تلاش می شود با استفاده از حساس سازی لایه نانوساختاری TiO2 با چند نوع مختلف از نقاط کوانتومی نیمه رسانا و بهینه کردن ضخامت این لایه های حساس کننده بازدهی تبدیل انرژی سلول های خورشیدی مرتبط را افزایش داد. در نهایت نشان داده می شود که بازدهی تبدیل انرژی به مقدار4/03 %با حساس سازی فوتوآند متشکل از نانوذرات TiO2 با نفاط کوانتومی CdS، CdSe و ZnS بدست می آید.
روش آزمایش
ساخت سلول خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی در چهار مرحله انجام می گیرد. این مراحل شامل آماده سازی فوتو الکترود، آماده سازی الکترود شمارنده، تهیه الکترولیت پلی سولفید و بستن سلول خورشیدی می باشند. در این پژوهش از نقاط کوانتومی CdS،CdSe و ZnS به عنوان حساس کننده در سلول های خورشیدی نانو ساختاری TiO2 استفاده می شود. عملیات بهترسازی با استفاده از TiCl4 قبل از لایه نشانی بر سطح زیرلایه شیشه/هادی شفاف انجام می گیرد.
نانوذراتTiO2 به روش هایدروترمال و در یک محیط اسیدی تهیه می شود. برای ساخت نانوذرات TiO2 ، 0/2 مول از استیک اسید به 0/2 مول تیتانیوم تتراایزوپروپوکساید - TTIP - اضافه می شود و هم می خورد. سپس با افزودن آب، فرآیند هیدرولیز انجام می گیرد که منجر به ایجاد رسوب سفید TiO2 می گردد. در ادامه 0/26 میلی لیتر اسید نیتریک به محلول رسوب سفید رنگ اضافه شده و فرایند حرارت دهی به مدت 75 دقیقه در دمای 80 C انجام می گیرد.
محلول بدست آمده پس از این مرحله لخته زدایی در اتوکلاوی ریخته شده و به مدت 12 ساعت در دمای 230 C حرارت دهی می شود. نانوذرات TiO2 تهیه شده در این مرحله پس از انجام فرایند سانتریفیوژ و شستشو با اتانول در تهیه خمیر TiO2 مورد استفاده قرار می گیرند. در نهایت با استفاده از این خمیر یک لایه از این نانوذرات با ضخامت 7 ʽm با استفاده از دو لایه چسب اسکاچ به عنوان فاصله دهنده به روش دکتر بلید بر روی شیشه هادی شفاف FTO لایه نشانی می شود .[2] به منظور حساس سازی فوتوآند، نقاط کوانتومی CdS به روش جذب متوالی لایه های یونی و انجام واکنش - - SILAR بر سطح فوتوآند رشد داده می شوند. در این فرآیند ابتدا فوتو آند را در محلول 0/1 مولار ازCd - CH3COO - 2 در متانول به مدت یک دقیقه قرار می دهیم.
سپس فوتوآند را در متانول کاملا شسته شده و در محلول 0/1 مولار از Na2S در متانول و آب DI به مدت یک دقیقه دیگر قرار می گیرد. در نهایت نیز شستشوی مجدد در محلول متانول انجام می شود. به منظور حساس سازی مناسب فرآیند لایه نشانی به تعداد چهار بار - چهار سیکل لایه نشانی - تکرار می شود .[3] در ادامه نقاط کوانتومی CdSe به روش لایه نشانی حمام شیمیایی - - CBD بر سطح فوتوآند رشد داده می شوند. در این فرآیند فوتوآند در محلول آبی شامل 10 میلی مولار از Na2SeSO3 ،2/5 میلی مولار از Cd - CH3COO - 2 و 25 میلی مولار از NH4OH و در حمام آبی به دمای 95 درجه و به مدت 6 دقیقه قرار می گیرد.
[4] برای آماده سازی محلول Na2SeSO3 0/1 گرم از پودر Se را در 20 میلی لیتر از محلول آبی Na2SO3 حل می کنیم و به مدت چهار ساعت و تحت رفلاکس روی استیرر قرار می دهیم.[5] درمرحله آخر نیز برای پایداری بیشتر فوتوآند و بهبود عملکرد سلول خورشیدی یک لایه ZnS به روش SILAR بر روی فوتوآند لایه نشانی می شود. در این مرحله از محلول های 0/1 مولار آبی از Zn - CH3COO - 2 و Na2S استفاده می شود. فرایند بعدی آماده سازی الکترود شمارنده CuS است.
در این فرآیند نیز از روش لایه نشانی SILAR استفاده می شود. در ابتدا شیشه/هادی شفاف در محلول 0/5 مولار ازCu - NO3 - 2 در اتانول به مدت یک دقیقه قرار می گیرد و با اتانول شستشو داده می شود. سپس زیرلایه به مدت یک دقیقه دیگر در محلول 0/5 مولار از Na2S در اتانول و آب DI قرار داده می شود و در ادامه دوباره با اتانول شستشو می گردد. ساخت الکترولیت پلی سولفید نیز با تهیه محلولی 1مولار از Na2S، 0/2 مولار از KCl و 2مولار از S در آب و اتانول به نسبت 3/7 تهیه می گردد. در این تحقیق طیف سنجی های اپتیکی با اسپکتروفوتومتر Optizen Pop انجام گرفت. اندازه گیری مشخصه I-V سلول نهایی با سطح موثر 0/16 cm2 با دستگاه پتانسیو استات اتولب - ECO CHEMIE AUTOLAB Potentiostate - و در شرایط تابش نور خورشید Am 1.5 انجام شد.
نتایج وبحث
شکل1 منحنی های عبور اپتیکی لایه نانو ساختاری TiO2 و هم چنین لایه های TiO2 حساس شده با نانو ذرات CdS،CdSe و ZnS را نشان می دهد. همان طور که مشاهده می شود، لایه نانو ساختاری TiO2 دارای لبه ی جذبی پهن در طول موج های کوچکتر از 400nm می باشد که نمایانگر شکاف انرژی این ماده است. با لایه نشانی نانو ذرات CdS و ZnS بر سطح این لایه، لبه جذب فوتوآند TiO2 NP/CdS/ZnS به طول موج هایی در حدود 500nm جابجایی به سمت قرمز می کند. این جابجایی لبه جذب نشان دهنده جذب نور توسط لایه نانو ذرات CdS و منطبق بر شکاف انرژی آن هاست. لازم به ذکر است که تاثیر ZnS در این حالت تنها پایدار سازی فوتوآند است و به علت شکاف انرژی بزرگ آن - 3/8eV - نقشی در جابجایی به سمت قرمز ایجاد شده ندارد.
برای فوتوآند TiO2/CdS/CdSe/ZnS جابجایی به سمت قرمز بزرگتری دیده می شود که مربوط به جذب نور در طول موج های بیشتر توسط رو لایه نانو ساختاری CdSe می باشد. علت تشکیل نانوذرات بر سطح لایه نانوذره ای TiO2 مربوط به روش رشد دوبعدی SILAR یعنی جذب متوالی لایه های یونی و انجام واکنش می باشد. در این حالت مواد CdS و CdSe شکل گرفته در حفره های نانومتری لایه مزومتخلخل TiO2 لزوما نانومتری خواهند بود. شکل2 منحنی های مشخصه I-V سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی CdS/ZnS وCdS/CdSe/ZnS را نشان می دهد. تصاویر مربوط به فوتوآند های TiO2 NP/CdS وTiO2NP/CdS/CdSe در ضمیمه شکل2 آورده شده اند. پارامتر های فوتوولتاییک این سلول ها نیز از منحنی های I-V بدست آمده و در جدول 1 آورده شده اند.
