بخشی از مقاله
خلاصه
بازده سلول های خورشیدی به طور مستقیم به پارامترهای ساخت سلول وابسته است. تاثیر پارامترهای مدل مانند دما و بازده تزریق الکترون از رنگدانه به اکسید نیمه هادی در ساختار هریک از سلولهای خورشیدی با استفاده از دو الکترود نانو ساختاری اکسید روی و دی اکسید تیتانیم بررسی میشود. این تحلیل عددی برای بررسی اصل کار ساختار منتقل شدن الکترون در دو الکترود نوری با استفاده از اکسید روی و دی اکسید تیتانیوم و همچنین الکترولیت صورت میگیرد.
هدف این مقاله مقایسه فتوولتاییک وعملکرد دونوع سلول حساس شده به رنگدانه با استفاده از دو فوتو الکترود دی اکسید تیتانیم واکسیدروی در دماهای متفاوت به منظور پیش بینی اثر دما بر فاکتورهای عملکرد برروی منحنی جریان - ولتاژ و ضریب بازده در ساختار سلول های خورشیدی رنگدانه ای نانو ساختار میباشد.
.1 مقدمه
به دلیل پایان پذیر بون سوختهای فسیلی و آلودگیهایی که در اثر این سوختها به وجود آمده ، نیاز به انرژیهای تجدید پذیر داریم که در بین آنها انرژی خورشیدی مهمترین آنها محسوب میشود.[1] برای اولین بار پدیده فتوولتاییک توسط فیزیکدان فرانسوی به نام ادموند بکرل در سال 1839 کشف شد و اولین گزارش از پدیده فتوولتاییک در یک ماده جامد در سال 1877 در دانشگاه کمبریج صورت گرفت.
اولین سلول خورشیدی در سال 1883 توسط چارلز فریتز ساخته شد. وی لایهی نازکی از ماده مذاب سلنیوم را بر روی بستری از فلز قرار داد و لایه ای از فلز طلا را بهعنوان اتصالات رویی قرار داد و توانست یک فتوولتاییک با مساحت 30 سانتی متر مربع بسازد که بازده آن کمتر از %1 بود ولی این پدیده تا سال 1954 بدون استفاده ماند تا این که در این سال سه تن از محققان آزمایشگاه بل به طور تصادفی متوجه ایجاد شدن یک ولتاژ در دو سر دیود، هنگام روشن بودن چراغ اتاق شدند. قلب سیستم لایه اکسید نیمه رسانا متخلخل است . معمولا از دی اکسید تیتانیوم که یک نیمه رسانا با گاف انرژی وسیع است برای این منظور استفاده می شود [2].
نمودار ولتاژ بر حسب جریان در حالت پایدار و پاسخ های دینامیکی سلول خورشیدی حساس به رنگ به صورت ریاضی و بر اساس مدار معادل الکتریکی، مدلسازی شده است. انتقال بار بین سطحی و تلفات بازترکیبی در بین سطوح اکسید / رنگدانه / الکترولیت، موثرترین عامل در راندمان بوده و در مدل ریاضی لحاظ شده است. جریان اشباع دیود رکتیفایر و جریان اشباع دیود بازترکیب، مسئول اتلاف بازترکیبی انتقال هستند و تأثیر عمده ای بر بازده دارند. برای مدلسازی سلول خورشیدی حساس به رنگ از مدار معادل دو دیودی استفاده شده است. اکثر مقالات از همین مدار معادل برای مدلسازی سلول های خورشیدی رنگدانهای استفاده کردهاند و فقط در تعداد کمی از مقالات از مدار معادل تک دیودی برای مدلسازی استفاده شده است.[3]
صحت مدلسازی صورت گرفته با استفاده از مقادیر و نمودارهای تجربی ارائه شده در مقالات، تأیید شده است. با در نظر گرفتن الکترولیت بر پایه یون های یدید/تری یدید، الکترودهای روبروی شامل لایهی پلاتینی و رنگدانه N719 برای هر دو سلول از الکترودهای نوری TiO2 و ZnO به بررسی پارامترهای این دو سلول خورشیدی نانو ساختار رنگدانه ای می پردازیم و تأثیر این دو الکترود نوری را بر عملکرد سلول ها مورد بررسی قرار میدهیم. پس از بررسی تأثیر الکترودهای نوری بر بازدهی سلول همچنین چگونگی اثر تغییر دما بر کارکرد سلولها مورد مطالعه و بررسی قرار داده شده است و نتایج مدل سازی ارائه شده است.
2. مدل پیش بینی عملکرد
الف - پیش بینی نمودار ولتاژ-جریان سلول خورشیدی حساس به رنگ با هادی الکترون TiO2 سلول خورشیدی حساس به رنگ از یک الکترود بهعنوان آند تشکیل شده است. لایه نازکی از مولکول های جاذب نور که مولکول های رنگدانه نامیده میشوند در خلل لایه دیاکسید نفوذ داده شده و الکترولیت اکساینده- کاهنده حاوی یونهای یدید و تری یدید آند را خیس میکند سپس لایه فلزی نازکی از پلاتین بهعنوان کاتد قرار داده می شود. این ساختار که می توان آن را بهعنوان مخلوطی از چند ماده تصور نمود بین دو لایه شیشهای اکسید رسانای شفاف که اغلب با فلور - - FTO دوپینگ می شود قرار میگیرد.
واکنش های داخل سلول بدین صورت است: اگر نور از سمت مناسب یا همان آند تابیده شود، با تابش خورشیدی مولکول های رنگدانه فوتون را جذب کرده و برانگیخته میشوند و یک الکترون از باند ظرفیت به باند هدایت میرود، در نتیجه یک اکسایتون ایجاد میشود - اکسایتون حالت برانگیخته یک مولکول بعد از جذب فوتون است - . چون باند هدایت رنگدانه بالاتر از باند هدایت دیاکسید تیتانیوم قرار دارد و نیز به دلیل آنکه مولکولهای رنگدانه از طریق پیوندهای کووالانسی با شبکه بههم پیوسته مولکولهای دی اکسید در ارتباط مستقیم هستند، امکان حرکت الکترون از باند هدایت رنگدانه به باند هدایت دی اکسید تیتانیم فراهم میشود در نتیجه الکترون از باند هدایت رنگدانه به باند هدایت دیاکسید تیتانیم رفته اکساتیون از بین رفته و یک الکترون در باند هدایت دی اکسید ایجاد میشود.
شکل - 1 - نمای شماتیکی از انتقال الکترون در سلول خورشیدی حساس به رنگ را نشان میدهد. مطابق شکل، انتقال الکترون از رنگدانه برانگیخته به دیاکسید تیتانیم، از الکترولیت به رنگدانه و از دی اکسید تیتانیم به الکترود نقشی مهم در عملکرد سلول خورشیدی حساس به رنگ ایفا می کند.[4] یک سلول خورشیدی استاندارد شامل سه سطح میانی است: FTo/TiO2، TiO2/dye/electrolyte و electrolyte/ Pt-FTO که مدار معادل آن در شکل - 2 - نشان داده شده است. انتقال بار بین سطح TiO2/dye/electrolyte توسط یک دیود رکتیفایر - Di - و یک خازن دو لایهای - Ci - مشخص شده است.
Dr دیود بازترکیب، m اتلاف بازترکیب بار بین سطحی کاتیون رنگ دانه و الکترولیت ردوکس است. Rsh مقاومت شنت شامل همه تلفات مقاوتی موازی با دستگاه فتوولتائیک از جمله جریان نشتی است. Iph جریان تولید شده توسط فوتونها است که به صورت موازی با دیود رکتیفایر قرار میگیرد. یک مسیر بازترکیبی القایی برای لحاظ کردن جریان انتقالی بار در مدار در نظر گرفته شده است که شامل یک مقاومت بازترکیب - Rrec - است که به صورت سری با القاگر - L - قرار داده شده است.
مقاومت انتقال بار و خازن بین سطحی در الکترود FTO و electrolyte/Pt-FTO به ترتیب توسط RE و CE، و RCE و CCE مشخص شده است. انتقال حاملها توسط یونهای داخل الکترولیت توسط امپدانس واربرگ - W - مشخص شدهاست. مقاومت Rs نشاندهنده-ی اتلاف مقاومتی تماسی و حجمی نظیر مقاومت صفحهای در شیشه FTO است.
