بخشی از مقاله
چکیده:
در سالهای اخیر با گسترش فناوری نانو و پیشرفت هایی که در زمینه طراحی و ساخت لایه های نازک صورت گرفته، دریچه تازه ای برای افزایش بازده و کاهش هزینه باز شده است. نسل سوم سلول های خورشیدی ، سلول های خورشیدی رنگدانه ای ، بهسبب تشکیل آسانتر اتصال مایع/ جامد در قیاس با اتصال جامد/ جامد، از نظر اقتصادی کم هزینه می باشد همچنین با استفاده از ساختارهای نانو در این سلول ها بازده قابل افزایش می باشد .
پارامترهای اصلی در سلول های خورشیدی - پایداری ، بازده و کاهش میزان هزینه - می باشد که در این مطالعه به عنوان هدف در نظر گرفته شده است. در این مطالعه از شیشه های رسانا FTO ، تیتانیوم تتراکلراید - - Ticl 4 و مواد PEG ، PVP جهت تولید ژل استفاده گردیده است. از دستگاه همزن فراصوت جهت بالا بردن کیفیت لایه های نازک ، کوره های الکتریکی در بازه های دمایی 1150- 15 درجه سانتی گراد و همزن مغناطیسی استفاده گردید.
جهت شبیه سازی نور خورشید ، از دستگاه شبیه ساز با توان خروجی 100 - mw/cm 2 - استفاده گردید. همچنین - SEM - میکروسکوپ الکترونی روبشی جهت بررسی ساختاری و مورفولوژی نمونه ها استفاده گردید. نتایج نشان داد که کاتد کربن با بازده % 7/14 نسبت به کاتد ها از جنس دوده و پلیمر PSS بهتر بوده است و بازده بیشتری را دارا می باشد . همچنین با جایگزین کردن ژل در سلول های مورد نظر عمر سلول افزایش ولی در مقابل راندمان کاهش یافت.
.1 مقدمه:
خورشید منبع عظیم انرژی و سر آغاز حیات و منشا تمام انرژی های دیگر است.[1] انرژی خورشید یکی از منابع انرژی رایگان، پاک و عاری از اثرات مخرب زیست محیطی میباشد، که از دیرباز مورد توجه بشر قرار گرفته است.[2] رشد اقتصادی کشورها نیز عاملی است که منجر به افزایش نیاز به انرژی میشود. انرژی خورشید میتواند تبدیل به انرژی گرمایی شود و جهت گرم کردن آب بهکار رود. با استفاده از قطعات نوری مانند آینه ها و لنزها میتوان نور خورشید را متمرکز کرد و به دمای بالاتری جهت راهاندازی موتورهای بخار رسید و گرما را تبدیل به انرژی جنبشی و سپس الکتریسیته کرد .[3]
با این وجود، مستقیمترین راه جهت تبدیل انرژی خورشید به الکتریکی، استفاده از سلول فوتوولتائیک1 میباشد. این نوع از سلولها بهدلیل عدم نیاز به اجزای متحرک، هزینه نگهداری بسیار پایینی دارند و بههمین جهت به منظور کاربردهای بلند مدت مورد توجه قرار گرفته اند..[8] در حال حاضر دستیابی به تکنولوژی ساخت سلولهای خورشیدی با بازده بالا و هزینه ساخت پایین از بزرگترین چالشهای پیش رو است .[4]
با توجه به اینکه کشور ما به طور تقریبی دارای 300 روز آفتابی بوده و از نظر مقدار انرژی در ردیف بهترین کشورها به حساب می-آید، استفاده از خورشید نهتنها ضروری بلکه در آینده اجتناب ناپذیر خواهد بود. در واقع انرژی خورشید، مستعدترین راه تولید انرژی با توجه به وسعت و شرایط جغرافیایی ایران است، بهطوری که کاربرد آن نیاز به شبکههای انتقال و توزیع پرهزینه ندارد.[5] سلولهای فوتوولتائیک بسته به تکنولوژی مورد استفاده در ساخت، به سه دسته نسل اول، دوم و سوم تقسیم بندی میشوند.
سلولهای سیلیکون با پیوند p-n امروزه رایجترین سلولهای مورد استفاده هستند و در حدود %85 بازار تجاری را در اختیار دارند. این نوع از سلولها به عنوان نسل اول شناخته میشوند. در این دسته از سلولها درصد خلوص بالای ویفرهای سیلیکون، دمای ساخت بالا و مقادیر بالای مواد مورد نیاز جهت ساخت سلول از مهمترین پارامترهای تعیین کننده در هزینه بالای آن محسوب میشود.[6]
نسل دوم سلولهای فوتوولتائیک، بر اساس تکنولوژی فیلمهای لایه نازک میباشند، که معمولا بین یک شیشه رسانا و الکترود کاتد پوشش داده میشوند. این دسته از سلولها در حدود %15 از بازار تجاری را به خود اختصاص دادهاند و اکثرا بر پایه CdTe می-باشند، با این وجود سلولهای فوتوولتائیک بر پایه CuInGaSe2، CuInSe2،CuInS2 و سیلیکون آمورف نیز به مرحله تجاری شدن رسیده و وارد بازار شدهاند، اما بهنظر میرسد کمیابی و سمی بودن مواد اولیه بزرگترین مشکل این نسل از سلولهای خورشیدی میباشد.[7]
به موازات پیشرفتهای سلولهای لایهی نازک، امروزه ساختارهای جدیدی بر اساس پیوند سه بعدی نیمهرساناهای آلی و غیر آلی مزوسکوپیک2 مورد توجه قرار گرفتهاند. در این زمینه نانوبلورهای غیر آلی، مایعهای یونی3، هدایتکنندههای آلی حفره و ادوات پلیمری معرفی شدهاند، که مزایایی همچون: هزینه تولید پایین بدون نیاز به تکنولوژیهای دمای بالا و خلأ، سازگاری با زیرلایههای قابل انعطاف، قابلیت تجاری شدن و کاربرد در فضاهای داخلی و خارجی ساختمانها را دارا میباشد.
از جمله این ساختارها، سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ میباشند. این سلولها در مقایسه با سلولهای سیلیکونی به وجود نقایص در نیمرساناها حساس نبوده و هم چنین با وجود پایینتر بودن بازده بهسبب تشکیل آسانتر اتصال مایع /جامد در قیاس با اتصال جامد/جامد، ساخت این سلولها از نظر اقتصادی کم هزینهتر است .[9]بهترین بازدهی گزارش شده در حال حاضر برای آنها در مقیاسهای کوچک% 12/3 و در ساختارهایی با مقیاس بزرگ %10 میباشد، از این رو برای رقابت در برابر سلولهای فوتوولتائیک سنتی، سلولهای خورشیدی رنگدانهای نیاز به افزایش بازدهی، پایداری و هزینه تولید پایین دارند.[7]
.2 مواد و روش تحقیق:
مواد مورد استفاده در این مطالعه اتانول بدون آب، استونیتریل، ید - I2 - ، پتاسیم یدید - KI - ، هگزا کلرو پلاتینیک اسید - - H2PtCl6، ، پلی اتیلن گلیکول - PEG-400 - ، خریداری شده از شرکت Merck می باشد. رنگ آب دوست - N719 - ، و شیشه های رسانا - FTO - با مقاومت ورقهای8 sq-2 از شرکتSolaronix تهیه شدند و پلی وینیل پیرولیدن - PVP K30, Mr 40000 - و پلی وینیل پیرولیدن - - PVP K60 Mr 360000 از شرکت Aldrichخریداری شدند.
همه مواد بدون خالص سازی مورد استفاده قرار گرفتند . جهت بالا بردن کیفیت لایههای نازک و داشتن چسبندگی مناسب مواد لایهنشانی شده، زیر لایهها باید عاری از هر گونه چربی، رسوبات و سایر آلودگیهای فوق ریز باشند. بهاین منظور جهت تمیز نمودن زیرلایهها، از همزن فراصوت استفاده شد. همچنین جهت خشک کردن زیرلایهها و وسایل آزمایش، از کوره الکتریکی با دمای 90-130 استفاده شد.
جهت اندازهگیری مشخصهی جریان-ولتاژ از دستگاه جریان-ولتاژ Keithley 2400 که قابلیت فرمان و ازسال داده به رایانه را دارد، استفاده شد. برای شبیه سازی نور خورشید و ایجاد شزایط استاندارد از دستگاه شبیه ساز نور خورشید استفاده میشود. بهمنظور ریخت شناسی نمونهها از دستگاه SEM مدل Philips سری VEGA3 استفاده گردید. همچنین از پوشش نقره جهت تصویربرداری در بزرگنماییهای بالاتر استفاده شد.
.3 روش ساخت سلولهای خورشیدی
زیر لایه مورد استفاده باید عاری از هرگونه آلودگی باشد. بههمین منظور زیر لایهها باید در چندین مرحله شستشو شوند. ابتدا شیشهها با آب دو بار تقطیر، استون، ایزوپروپانول و اتانول بدون آب به ترتیب هرکدام به مدت 20 دقیقه در حمام فراصوت شستشوداده شد و سپس در آون با دمای 130 °C قرار داده شد تا خشک شوند. جهت از بین رفتن مواد آلی باقی مانده،زیر لایهها در معرض تابش UV قرار گرفتند. برای جلوگیری از بازترکیب الکترونها در مرز زیرلایهها با الکترولیت، زیر لایهها به مدت 90 دقیقه در محلول 40 mM،TiCl4 قرار داده شدند.
الف - روش لایه نشانی غلتکی - دکتر بلید -
مطابق شکل - 1 - در این روش زیرلایهها - FTO - را با چسب اسکاچ به سطح زیرین میچسبانیم، سپس خمیر TiO2 را بر روی آن قرار داده و با استفاده از میله شیشهای، لایه نشانی انجام میشود. در این روش حرکت یکنواخت میله شیشهای برای ایجاد سطح یکنواخت، بسیار مهم است.
