بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش روشی ساده جهت ساخت نانومیله هاي اکسید تیتانیم به منظور استفاده در سلولهاي خورشیدي رنگدانه اي ارائه شده است. نانومیله هاي اکسید تیتانیم با قطر 50 نانومتر و طول 2/5 میکرون، با اکسید کردن فویل تیتانیم در آب اکسیژنه ساخته شدند. تحت شرایط استاندارد، بازدهی سلولهاي ساخته شده با نانومیله ها به 0/56 درصد رسید. به منظور افزایش سطح موثر نانومیله ها و جذب رنگدانه بیشتر، نانوذرات اکسید تیتانیم و اکسید روي بر روي نانومیله ها پوشش داده شد.
بررسی منحنی جریان-ولتاژ نشان داد که با پوشش نانوذرات اکسید تیتانیم بازدهی سلولها بیشتر از 48 درصد افزایش داشته است در حالی که پوشش نانوذرات اکسید روي، علی رغم افزایش سطح موثر منجر به کاهش بازدهی شده است. نتایج بررسی دقیق با اسپکتروسکوپی آمپدانس الکتروشیمیایی و شبیه سازي نتایج حاصله با مدلهاي تئوري نشان داد که پوشش نانوذرات اکسید روي نقش مهمی در کاهش چگالی الکترونی در فتوآند و کاهش بازدهی سلولها دارد.
مقدمه
بعد از گزارش ساخت سلولهاي خورشیدي رنگدانه اي با بازدهی 7 درصد در سال [1]1991، تحقیقات بسیاري بر روي این سلولها انجام شده است. ساده بودن مراحل ساخت، بازدهی نسبتا مناسب و هزینه پایین در مقایسه با انواع دیگر سلولهاي خورشیدي از مهم ترین مشخصه هاي این سلولهاست. شکل 1 شماي کلی این سلولها را نشان میدهد. دراین سلولها با تحریک رنگدانه هاي جذب شده بر روي فتوآند اکسید تیتانیم به وسیله تابش فوتون، الکترون و حفره در رنگدانه ایجاد می گردد.
الکترون ایجاد شده از رنگدانه به اکسید تیتانیم منتقل شده و به وسیله مدار خارجی به الکترود پلاتین منتقل می گردد. رنگدانه ي اکسید شده به وسیله یونهاي اکسنده-کاهنده موجود در الکترولیت، احیا شده و حفره تولید شده در این فرایند به الکترود پلاتین منتقل می گردد. به منظور افزایش بازدهی در این سلولها، داشتن فتوآند با سطح موثر زیاد که منجر به جذب رنگدانه بیشتر و در نتیجه افزایش انتقال الکترون به فتوآند می شود از پارامترهاي بسیار مهم می باشد. در این سلولها مهم ترین عاملی که منجر به کاهش بازدهی سلولها می شود، باز ترکیب الکترونهاي منتقل شده به اکسید تیتانیم با یونهاي موجود در الکترولیت، قبل از انتقال آنها از طریق مدار خارجی به الکترود پلاتین می باشد.
تاکنون در بیشتر تحقیقات انجام شده بر روي این سلولها، از یک لایه 10-20 میکرونی متشکل از نانوذرات پوشش داده شده برروي شیشه هاي شفاف FTO به عنوان فتوآند استفاده شده است. در این ساختارها گرچه استفاده از نانوذرات منجر به افزایش سطح و در نتیجه جذب رنگدانه بیشترمی گردد ولی در این ساختارها تعداد زیاد انتقال هاي الکترونی ذره به ذره، منجربه افزایش زمان انتقال الکترون در اکسید تیتانیم و در نتیجه افزایش احتمال بازترکیب الکترون با یونهاي موجود در الکترولیت می گردد.
با توجه به مباحث مطرح شده، انتظار می رود استفاده از ساختارهاي یک بعدي اکسید تیتانیم به جاي نانوذرات، علاوه بر افزایش سرعت انتقال الکترون در فتوآند، منجر به کاهش بازترکیب الکترون با الکترولیت گردد. با توجه با نکات ذکر شده در بالا، در تحقیق حاضر روشی ساده جهت ساخت ساختارهاي یک بعدي نانومیله اي اکسید تیتانیم بر روي فویل تیتانیم به منظور استفاده به عنوان فتوآند در سلولهاي خورشیدي رنگدانونتایجهاي ارائه می گردد حاصله تحلیل می شود.
روش آزمایش
فویلهاي تیتانیم با درصد خلوص 99/5 درصد به مدت 10 دقیقه و به ترتیب در استون و آب دوبار یونیزه آلتراسون شدند. نمونه هاي تمیز شده به مدت 72 ساعت و در دماي 80 درجه سانتی گراد در آب اکسیژنه با درصد وزنیهاي 30،20،10 قرارگرفتند. به منظور افزایش کریستالینیتی، نمونه ها در شار اکسیژن و به مدت 3 ساعت در دماي 500 درجه سانتی گراد پخت شدند. به منظور پوشش نانومیله هاي اکسید تیتانیم با نانوذرات اکسید تیتانیم، بعد از تهیه محلول کمپلکس پروکسوتیتیانیم[2] نانومیله هاي ساخته شده به مدت 5 ساعت در دماي 70 درجه سانتی گراد در محلول تهیه شده قرار گرفتند که منجر به پوشش نانوذرات اکسید تیتانیم بر روي نانومیله ها شد. نانوذرات اکسید روي به روش الکتروشیمیایی بر روي نانومیله هاي اکسید تیتانیم پوشش داده شدند.
[3] به منظور جذب رنگدانه بر روي سطح نانومیله ها، بعد از فرایند پخت حرارتی، نمونه ها به مدت 24 ساعت در محلول اتانولی حاوي رنگدانه با نام تجاري N719 قرار گرفتند. با قرار دادن یک ورقه ترموپلاست با ضخامت 50 میکرون بین الکترود پلاتین و الکترود اکسید تیتانیم و حرارت دهی تا دماي 130 درجه سانتی گراد ، سلولها ساخته شدند. الکترولیت حاوي گونه هاي اکسنده کاهنده - - redox از طریق حفره ایجاد شده در الکترود پلاتین به سلول وارد شد. سلولهاي ساخته شده با آنالیز سه ساختارهاي نانومیله اي پوشش داده شده با نانوذرات اکسید جریان-ولتاژ و آمپدانس اسپکتروسکوپی بررسی شدند. تیتانیم را نشان می دهد.
نتایج و بحث
5 ساختار مختلف به عنوان فتوآند در سلولهاي ساخته شده به کار رفتند: نانورادهاي تهیه شده در 10،20و 30 درصد وزنی از هیدروژن پروکساید - - H10, H20, H30، نانومیله هاي پوشیده شده با نانوذرات اکسید تیتانیم - - H30T و نانومیله هاي پوشش داده شده با نانوذرات اکسید روي SEM . - H30Z - نشان داده شده در شکل دو ساختار نوعی نانورادهاي ساخته شده را نشان می دهد. تمامی نمونه ها داراي مورفولوژي تقریبا یکسان بوده و شیارها در کل نمونه ها مشاهده گردید. طول نانومیله ها با مشاهده سطح مقطع حدود 2/5 میکرون بدست آمد - شکل . - 1 c
نانومیله ها - - c
طول نانومیله هاي ساخته شده در اینجا در مقایسه با طول نانوساختارهاي یک بعدي که عموما در ساخت سلولهاي خورشیدي رنگدانه اي استفاده می شود - حدود 10 میکرون - کوتاه بوده که منجر به کاهش سطح موثر نانومیله ها و جذب کم رنگدانه بر روي فتوآند می گردد. به منظور افزایش سطح نانومیله ها، نانوذرات اکسید تیتانیم بر روي نانومیله ها پوشش داده شد.
