بخشی از مقاله
چکیده
هدف از پژوهش حاضر، ترکیب نانو پودر وانادیوم پنتا اکسید با پلیمر الکترولیت متشکل از الیاف پلی وینیلیدین فلوراید و پلی اکریلو نیتریل به روش الکتروریسی برای سلول خورشیدی رنگ حساس میباشد. نانو الیاف کامپوزیت محتوی 1%، 3% و 5% نانو پودر وانادیوم پنتا اکسید تهیه شدند و مورفولوژی و ساختار بلوری آنها با استفاده از میکروسکوپ الکترون روبشی، پراش اشعه ایکس، طیف سنجی انعکاس مادون قرمز تبدیل فوریه و پارامترهایی مانند تخلخل و میزان جذب الکترولیت مایع مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. درصد جذب الکترولیت مایع نمونهها، از طریق غوطه وری آنها در محلول الکترولیت مایع به مدت یک ساعت ارزیابی شد. نتایج نشان داد که، جذب الکترولیت مایع. نانو الیاف کامپوزیت محتوی وانادیوم پنتا اکسید به طور مشخصی افزایش یافته است.
مقدمه
با توجه به محدودیت منابع زیست سوخت فسیلی و آثار زیست محیطی حاصل از آن ها وانتشار گاز های گلخانه ای که سبب گرم شدن کره زمین شده است، یافتن منبع انرژی جدید پایدار، قابل اطمینان و زیست سازگار، چالشی است که محققان امروز با آن روبرو هستند. سلولهای خورشیدی بطور مستقیم انرژی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند و میتواند الکتریسیته بدون نگرانیهای زیست محیطی تولید کنند. سلول خورشیدی رنگ حساس - DSSCs - اولین بار توسط گروه گرتزل گزارش شد و توجه زیادی را به خود جلب کرد.
گروه گرتزل نشان داد که بازده تبدیل انرژی با استفاده از یک الکترولیت مایع %12 بدست می آید که این بازده بسیار نزدیک به سل های خورشیدی معدنی بر پایه سیلیکون بی نظم است. اما عیب اصلی این دسته از سل ها تلفات الکترولیت از طریق نشت و تبخیر است که موجب محدود کردن پایداری DSSCs در طولانی مدت میشود.[1] برای جبران این مشکل محققان در تلاش برای پیدا کردن راهی برای جایگزینی الکترولیت مایع هستند،مانند حفره های هادی آلی یا معدنی، مایعات یونی، پلیمر و ژل الکترولیت در سلول خورشیدی - DSSCs - هستند.
هرچند آماده سازی این مواد پیچیده و دارای مقاومت مکانیکی ضعیفی هستند و نمیتوان در تولید تجاری از آن ها استفاده نمود، برای رفع این مشکل غشا پلیمری را در محلول الکترولیت خیسانده شده و مورد برسی قرار گرفته است .[2] در نتیجه، تعدادی از فرآیند های تولید نظیر: سنتز از غالب، جدایی فاز، الکتروریسی و غیره که برای آماده سازی غشای پلیمری در پلیمر الکترولیت استفاده شده است.
در بین این فرآیند ها الکتروریسی روشی آسان و کم هزینه است که الیاف جامد از یک جریان پلیمری مایع - محلول یا مذاب - توسط یه نازل سوزنی در مقیاس میلی متر تهیه میشود .[3] در این مقاله، ساخت و مشخصهیابی الکترولیت جامد سلول خورشیدی رنگ حساس بر پایه غشای کامپوزیتی PVdF-PAN-V2O5 به روش الکتروریسی انجام شد. در سال 2007 سانگ ون چویی - Song Won Choi - و همکارانش با تهیه غشایی از نانو الیاف پلی وینیلیدین فلوراید با توجه به ثبات دی الکتریک بالای آن - e=8,4 - ، ثبات خوب الکتروشیمیایی، تمایل آن به الکترولیت مایع به دلیل مهاجرت اتم فلوئور - -C-F - در بطن ساختار پلیمر، استحکام ساختاری، درجه تبلور بالا و ضریب هدایت یونی بالا در محدوده تا در دمای اتاق به عنوان یک بستر خوب برای الکترولیت شناخته شده است .
[4] در سال 2009 جانگ - Jung - و همکارانش با تهیه غشا کامپوزیتی آبدوست بر پایه پلی اکریلو نیتریل و سیلیکا تهیه کردند. که پلی اکریلو نیتریل دارای ویژگی های منحصر به فرد مانند: ثبات حرارتی، هدایت یونی بالا و مورفولوژی بسیار عالی برای جذب الکترولیت و سازگاری خوب با الکترولیت مایع دارد. پلی اکریلو نیتریل با داشتن گروه -CN است که به راحتی با گروه عاملی -C=O موجود در پروپیلن کربنات و اتیلن کربنات پیوند ایجاد میکند .
[5] در سال 1998 زیولی - xiuli - و همکارانش غشای کامپوزیت متشکل از نانو الیاف تو خالی پلی اکریلو نیتریل و مقدار کمی پلی وینیلیدین فلوراید به نسبت های وزنی10:0، 9:1 و 7:3 به روش الکتروریسی تهیه کردند و با بررسی ساختار و خواصی مانند: امتزاج، استحکام کششی و میزان شار به این نتیجه رسیدند که غشاء متشکل از دو پلیمر دارای شار بسیار بالاتر از غشا متشکل از پلی امریلو نیتریل به تنهایی است. [6] بنابراین پلی اکریلو نیتریل و پلی وینیلیدین فلوراید به طور مستقل دارای ویژگی های سودمندی به عنوان پلیمر بستر در الکترولیت پلیمر هستند .
علاوه بر این هر دو پلیمر دارای ویژگی های منحصر به فردی هستند که الکترولیت تهیه شده از ترکیب پلی اکریلو نیتریل و پلی وینیلیدین فلوراید می تواند ویژگی هر دو پلیمر را داشته باشد [7]. در میان تمام اکسید های فلزی، برای دریافت انرژی ،اکسید وانادیوم خواص فیزیکی و شیمیایی خوب و پتانسیل باﻻیی در دمای 68 تا 147 درجه سانتی گراد از خود نشان داده است. وانادیوم پنتا اکسید معدنی به دلیل فعالیت سطحی بالا آن و خاصیت احیا کنندگی آن در قالب ساختار یک بعدی مانند نانولوله و نانوسیم توجه زیادی را به خود جلب کرده است[8]
تهیه محلول الکتروریسی
برای تهیه محلول الکتروریسی، گرانولهای PVDF و پودر PAN به نسبت وزنی 3:1 در حلال های DMF و aceton به نسبت حجمی 7:3 اضافه شد.سپس نانو ذرات V2O5 با غلطت های 0، 1، 3 و 5 درصد کل وزن پلیمر PVdF-PAN به مدت 24 h در دمای60 œ C تحت همزدن مداوم قرار گرفت تا محلولی شفاف با غلظت % - 32 وزنی -وزنی - تهیه شد.
روشهای آزمایش
در این پژوهش، از دستگاه الکتروریسی با آرایش افقی استفاده شده و الیاف صفحه آلمینیومی جمع آوری شدند .تصویر کلی دستگاه در شکل 1 نشان داده شده است .سرعت تغذیه محلول به درون میدان الکتریکی 1/5 mL/h ، ولتاژ20 kV و فاصله افشانک تا جمع کننده 15 cm درنظر گرفته شد. تخلخل غشا - % - ε به عنوان حجم منافذ تقسیم بر حجم کل غشا تعریف شده است که میتوان به روش وزن سنجی وزن مایع موجود در منافذ غشا را اندازه گیری کرد.
برای اندازه گیری خواص الکتروشیمیایی کامپوزیت PVdF-PAN-V2O نانو الیاف الکتروریسی شده را در محلول الکترولیت شامل لیتیوم یدید 0/1 - مول - ، یدید 0/05 - مول - در پرپیلن کربنات - PC - و اتیلن کربنات - EC - به نسبت وزنی 1:1 به مدت 60 دقیقه خیسانده شد. در ابتدا وزن غشای کامپوزیتی در دو حالت خشک و مرطوب اندازه گیری شد. پس از آن غشای خیس شده از محلول الکترولیت خارج شد و مقدار محلول الکترولیت باقی مانده در سطح غشا توسط دستمال کاغذی به آرامی پاک شد. جذب الکترولیت با استفاده از معادله1 محاسبه شد. - 1 -
بحث نتیجه گیری
شکل1 تصاویر SEM غشای کامپوزیتPVdF-PAN-V2O5 را نشان میدهد. این نکته مورد توجه بود که الیاف تحت شرایط بهینه و بدون وجود مهره تولید شود.در شکل1 الف تا د نانو الیاف کامپوزیت PVdF-PAN-V2O5 با درصد های مختلف از نانو ذره V2O5 نشان داده شده است. زبری سطح با افزایش میزان نانو ذره V2O5 وافزایش یافته است. شکل.1تصاویر SEM غشای کامپوزیتی با مقادیر مختلف نانو ذرات : V2O5 - الف - PVdF-PAN-V2O5 0% - ب - %PVdF-PAN-V2O5 1 - ج - - PVdF-PAN-V2O5 3%د - %PVdF-PAN-V2O5 5 متوسط قطر نانو الیاف برای %0، %1، %3 و %5 نانو ذره V2O5 به ترتیب 348،425،282،291 نانومتر است.
