بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، تاثیر افزودن نانولوله هاي اکسید تیتانیوم به الکترود نانوذره اي سلول خورشیدي رنگدانه اي مورد بررسی قرار گرفته است. با ساخت سلول خورشیدي رنگدانه اي و اضافه کردن نانولوله هاي اکسید تیتانیوم، که به روش الکتروشیمیایی ساخته شدند، به الکترود نانوذره اي جریان اتصال کوتاه سلول تا بیش از 2 میلی آمپر بر سانتی متر مربع و بازده آن تا %10 درصد افزایش یافت و بازده نهایی سلول خورشیدي به % 5 ,6 رسید.
با اندازه گیري ولتاژ و جریان گذراي سلول تحت تابش مدوله شده نوري، طول عمر و زمان انتقال الکترون از ساختار و در نهایت طول دیفیوژنی الکترون ها در الکترود محاسبه شد. نتایج حاکی از آن است که با افزودن نانولوله به الکترود نانوذره اي زمان انتقال الکترون از ساختار کاهش یافته و از طرف دیگر طول عمر الکترون در ساختار تا چندین مرتبه افزایش می یابد. هم چنین اضافه کردن نانولوله ها به فیلم نانوذره اي تا 5 درصد، باعث افزایش طول دیفیوژن الکترون ها در ساختار تا 7 مرتبه و افزایش بازده جمع آوري بار در الکترود تا نزدیک 100 درصد می شود.
مقدمه
یکی از انواع مهم سلول هاي خورشیدي که در سال هاي اخیر مورد توجه بسیار قرار گرفته است سلول خورشیدي حساس شده با رنگدانه هاي آلی است که جزء نسل سوم سلول هاي خورشیدي به شمار می رود. این نوع سلول اولین بار در سال 1991 توسط گرتزل ساخته شد و بیشینه بازده گزارش شده تا کنون در حدود 11 درصد است .[1] در این نوع سلولها عموما از یک ماده نیمه هادي حساس شده با رنگدانه هاي آلی بعنوان الکترود نوري سلول استفاده می شود.
تابش نور با طول موج مناسب به الکترود سبب می شود تا نور توسط رنگدانه جذب شده و در نتیجه مولکول تحریک نوري شود. زوج الکترون- حفره در مرز مشترك رنگدانه- نیمه هادي از یکدیگر جدا شده و الکترون از طریق تراز هدایت نیمه هادي وارد مدار خارجی و منجر به ایجاد جریان می شود؛ در این حالت رنگدانه آلی توسط نمونه واسطی که در الکترولیت سلولهاي خورشیديعمدتاً یدید-تري یدد هستند احیا شده و نمونه واسط اکسید شده در الکترود مقابل توسط الکترون عبوري از مدار خارجی احیا می شود.
الکترودهاي مورد استفاده در ساخت سلول هاي خورشیدي رنگدانه اي عمدتا بر پایه فیلم هاي نانوذره اي اکسید تیتانیوم با ابعاد متوسط 20 نانومتر بوده اند. به دلیل وجود مرزدانه هاي بسیار در مسیر حرکت حامل هاي بار، حرکت الکترون در این ساختارها عمدتا به صورت ولگشتی بوده و طول عمر الکترون ها در ساختار کم است. شکل نانوساختاري الکترود نوري استفاده شده در سلولهاي خورشیدي می تواند نقش کلیدي در عملکرد آن داشته باشد.
ساختارهاي نانولوله اي بدلیل داشتن خواص الکترونیکی منحصر به فرد، نسبت سطح به حجم زیاد و ویژگیهاي وابسته به اندازه مورد توجه زیادي قرار گرفته اند. در این تحقیق سعی شد تا با ساخت الکترودهاي نانولوله اي اکسید تیتانیوم، تاثیر افزودن این ساختارهاي یک بعدي را به الکترود نانوذره اي سلول خورشیدي با اندازه گیري مشخصات خروجی سلول نظیر جریان، ولتاژ و بازده و نیز مشخصات داخلی سلول نظیر طول عمر و زمان انتقال الکترون از ساختار بررسی کنیم.
روش هاي آزمایش
ورقه تیتانیوم با ضخامت 0,25 میلی متر و خلوص 99,5 درصد از شرکت آلفا ایسرآلمان تهیه شد. ورقه تیتانیوم براي مدت 10 دقیقه، به ترتیب در استن، اتانول وآب یون زدا شده تحت امواج آلتراسون شستشو شدند. از الکترولیت آلی اتیلن گلیکول با افزودن 0,3 درصد وزنی آمونیوم فلوراید و 0,2 درصد حجمی آب استفاده شد. اکسیداسیون آندي در سلول الکتروشیمیایی دو الکترودي با اعمال پتانسیل ثابت 60 ولت براي مدت 30 دقیقه توسط دستگاه پتانشیواستات زاهنر انجام شد.
براي ساخت الکترودهاي ترکیبی نانوذره-نانولوله، مقادیر وزنی مختلف از لایه نانولوله اي به خمیر نانوذره اي اکسید تیتانیوم اضافه شد. جهت جدا کردن فیلم نانولوله اي اکسید تیتانیوم، فیلم هاي نانولوله اي بعد از ساخته شدن در داخل الکترولیت آبی 0,1 مولار اسید کلریدریک غوطه ور شده و بعد از یک ساعت لایه نانولوله اي از زیرلایه تیتانیومی جدا می شود. لایه نانولوله اي تا دماي 520 درجه سانتی گراد با نرخ 1 درجه سانتی گراد بر دقیقه و براي مدت 6 ساعت در محیط اکسیژن حرارت دهی شدند. سپس لایه نانولوله اي با مقادیر وزنی مختلف %2,5، %5، %15 و %19 با خمیر نانوذره اي اکسید تیتانیوم ترکیب شده و به روش دکتر بلید با ضخامت 10 میکرومتر بر روي شیشه رسانا قرار می گیرد.
براي ساخت سلول خورشیدي رنگدانه اي، الکترودهاي کار کامپوزیتی نانولوله اي- نانوذره اي براي 24 ساعت در محلول اتانولی 0,5 میلی مولار حاوي رنگدانه ان719 غوطه ور شدند. براي ساخت الکترود شمارنده پلاتین از محلول 5 میلی مولار کلروپلاتینیک اسید هگزاهیدرات استفاده می شد. از یک لایه چسب حرارتی میکرومتري براي بستن سلول استفاده می شود. الکترولیت با حل کردن 100 میلی مولار ید، 100 میلی مولار لیتیوم یدید، 600 میلی مولار تترابوتیل آمونیوم یدید و 500 میلی مولار تترا بوتیل پیریدین در حلال استونیتریل ساخته شد و با میکروپیپت به سلول اضافه شد.
جهت مشخصه یابی سلول هاي خورشیدي رنگدانه اي، سلول تحت تابش که توسط یک عدد شبیه ساز نور خورشیدي مدل نیوپورت 91160 تولید می شد، قرار گرفت. زمان انتقال الکترون و طول عمر الکترون در ساختار با روش ایجاد اختلال مربعی کوچک در تابش نور فرودي و اندازه گیري پاسخ فرکانسی ولتاژ و جریان اندازه گیري شد. منبع تابشی یک دیود نوري یک واتی مدل لوکسون استار/او است که با تغییر ولتاژ اعمالی به دیود شدت نور آن از 0,34 تا 100 میلی وات بر سانتی متر مربع تغییر می کند.
براي اندازه گیري طول عمر و زمان انتقال الکترون، دامنه و پاسخ زمانی ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه سلول خورشیدي تحت شدت هاي مختلف دیود نوري با گذشت زمان توسط پتانشیواستات اندازه گیري شد. جهت اندازه گیري میزان بار تجمع یافته در الکترود، سلول در حالت مدار باز و تحت تابش با شدت هاي مختلف قرار می گیرد؛ در این حالت ولتاژ مدار باز سلول خورشیدي را اندازه گیري شد؛ سپس نور را قطع کرده و سلول در تاریکی به حالت مدار بسته می بریم و جریان خروجی از سلول را براي مدت 10 ثانیه اندازه گیري می کنیم. با انتگرال گیري از جریان خروجی می توانیم مقدار بار موجود در سیستم را در شرایط مدار باز به دست آوریم.
نتایج تجربی
شکل 1 الف و ب به ترتیب نشان دهنده تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح مقطع فیلم هاي نانولوله اي و الکترودهاي کامپوزیتی نانوذرات- نانولوله ها می باشند. همانطور که دیده می شود نانولوله ها داراي طول تقریبی 10 میکرومتر، ضخامت دیواره 20 نانومتر و قطر داخلی 50 نانومتر هستند که پس از اضافه شدن به خمیر نانوذره اي تا حدودي از طول آن ها کاسته می شود.
