بخشی از مقاله
چکیده
فولرنها مانند C60 به شکل گستردهای در نقش انتقال دهنده الکترون در سلولهای خورشیدی پروسکایتی مورد استفاده قرار میگیرند. برای فولرن تحرکپذیری الکترونی 1.6 cm-1 V s-1 و رسانندگی 2.3×10-3 S cm-1 گزارش شدهاست . در این تحقیق ما از C60 به عنوان جایگزین TiO2 که به شکل رایج استفاده می شود در ساختارلایه نازک نرمال استفاده کردهایم. مشخصهیابی جریان-ولتاژ سلول ساخته شده بازدهی قابل قبول 5/9% و ولتاژ مدار باز 0/9 و همچنین فاکتورپرشدگی 61% را نشان میدهد.
مقدمه
در سالهای اخیر توسعهی منابع پاک و تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، باد، زمینگرمایی و هستهای یک استراتژی مهم برای دولتها محسوب میشود. در میان چشمههای تجدیدپذیر، سلولهای فوتوولتائیک بیش از نیم قرن هست که مورد استفاده قرار می گیرند. سلولهای فوتوولتائیک مستقماًی انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند، بدون اینکه هیچ گونه آلودگی برای محیط زیست در پی داشته باشند. امروزه نسل جدید سلولهای خورشیدی به علت فرایند ساخت آسان و صرفه اقتصادی بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. به منظور تجاری سازی این نوع از سلولها لازم است که فرایند ساخت به دمای بالا احتیاج نداشته باشد، قابلیت ساخت سلولها بر روی زیرلایههای منعطف وجود داشته باشد و از طرفی بازدهی قابل قبولی هم داشته باشد.
از سال 2009 ماده هیبریدی آلی معدنی با عنوان پروسکایت به علت دارابودن باندگپ مناسب - 1.55 الکترون ولت - ، ضریب جذب بالا و طول دیفیوژن زیاد الکترون-حفره به عنوان جاذب در سلول های خورشیدی بسیار مورد توجه قرار گرفت. خواص منحصر به فرد لایه های جاذب پروسکایت که منجر به بهبود کارایی سلولهای خورشیدی و ادوات اپتوالکترونیکی مبتنی بر این مواد شده است، از ساختار شبکه خاص مواد پروسکایت نشات می گیرد.
رایجترین ماده پروسکایت مورد استفاده در ساختار سلولهای خورشیدی، ترکیب آلی- معدنی متیل آمونیوم لید تری هالید است. فرمول شیمیایی این ترکیب CH3NH3PbX3 است. اتم X میتواند یونهای هالوژنی مانند برم، ید یا کلر باشد. گاف انرژی این ترکیب با کنترل مقدار عناصر هالوژنی بین 1/6 تا 2/2 الکترون ولت قابل تغییر است . [5- 4] این مقدار گاف انرژی میتواند منجر به جذب بخش عمدهای از نور خورشید شود. از دیگر خصوصیات ترکیبات پروسکایت متیل آمونیوم لید تری هالید این است که طول پخش الکترونها و همچنین حفرهها در محدوده یک میکرون است .[6] طول پخش زیاد به این معنی است که این مواد قابلیت استفاده در ساختارهای لایه نازک را دارند.
به طور کلی سلولهای خورشیدی برپایه پروسکایت به سه دسته تقسیم میشوند: نوع اول که با نام سلولهای لایه نازک پروسکایت با ساختار نرمال شناخته میشوند، در فوتوآند خود تنها دارای لایه فشرده دیاکسید تیتانیوم در نقش سدکننده حفره میباشند، بدین معنی که لایه متخلخل دیاکسید تیتانیوم در این نوع سلولها حذف شده است. نوع دوم که سلولهای حساس شده به پروسکایت نیز نامیده میشوند، سلولهایی هستند که در ساختار فوتوآند خود دارای لایه فشرده دیاکسید تیتانیوم به عنوان سد کننده حفره و لایه متخلخل دیاکسید تیتانیوم به عنوان انتقال دهنده الکترون میباشند، در این نوع از سلولها از لایه پروسکایت به عنوان جاذب استفاده میشود و وظیفه انتقال الکترون و حفره بر عهدهلایه های مجاور میباشد.
نوع سوم که سلولهای لایه نازک پروسکایت با ساختار معکوس نامیده میشوند، ساختاری متفاوت با دو نوع قبل دارند. در این نوع از سلول های پروسکایتی از دی اکسیدتیتانیوم در ساخت سلول استفاده نمیشود. سلولهای لایه نازک با ساختار معکوس با الهام گرفتن از سلولهای پلیمری ساخته شدهاند. در این تحقیق سلول خورشیدی پروسکایت با ساختار بسیار ساده FTO/C60/CH3NH3PbI3/Au ساخت و مشخصهیابی شد - شکل. - 2 فولرن - C60 - در این نوع ساختار که به ساختار لایه نازک نرمال شناخته میشود در نقش انتقال دهنده الکترون و سدکننده حفره جایگزین TiO2 که به شکل رایج استفاده میشود، شدهاست.
روش آزمایش
به منظور ساخت سلول از شیشه لایهنشانی شده با فلورین آلاییدهشده با قلع با مقاومت 15اهم - FTO - بهعنوان زیرلایه استفاده شد، سپس FTOها در محلولهای آب دوبار تقطیر، استون و اتانول به ترتیب هرکدام بهمدت 15 دقیقه در دستگاه آلتراسونیک شستشو دادهشد و پس از خشکشدن زیرلایهها در کوره با دمای 80 درجه، C60 با استفاده از دستگاه تبخیر در خلا در فشار 10-5 mbar به ضخامت 30 نانومتربر روی زیرلایه لایه نشانی شد.
در مرحله بعد به منظور تشکیل بلور پروسکایت به روش دو مرحلهای بر روی لایه C60 ، ابتدا محلول PbI2 با انحلال 462 میلیگرم یدید سرب در 1 سیسی DMF آماده شد و به مدت 12 ساعت در دمای 70 درجه سانتیگراد قرارگرفت، سپس محلول PbI2 به روش لایهنشانی چرخشی با سرعت 4000 دور بر دقیقه ومدت زمان 60 ثانیه بر روی زیرلایه، لایهنشانی شد، پس از پخت در دمای 70 درجه سانتیگراد در محلول مای 8 - میلیگرم CH3NH3I در یک سیسی ایزوپروپانول - در دمای محیط غوطهور شد و در آخرین مرحله لایه نازک طلا با ضخامت 40 نانومتر با روش تبخیر در خلا بر روی لایه پروسکایت قرارگرفت. سلولهای ساختهشده با استفاده از دستگاه Keithley 2400 و شبیهساز خورشیدی 100 mW/Cm2با AM 1.5 G مشخصه یابی شدند و نمودار I/V آنها رسم گردید.
