بخشی از مقاله
چکیده - در این پژوهش سلول خورشیدی حساس به رنگ با دو تغییر در الکترود متقابل - کاتد - و فتوالکترود - آند - مرسوم آن مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. الکترود متقابل معمولی که در این سلول ها استفاده می شود، اکسید تیتانیوم می باشد که در ساختار جدید، اکسید آلومینیوم به آن اضافه می شود. این اکسید آلومینیوم در آند سلول به عنوان یک لایه سرکوب کننده بازترکیب بار عمل می کند. با کاهش بازترکیب که پارامتری منفی در ساز و کار سلول های خورشیدی می باشد، عملکرد فتوولتاییک سلول بهبود می یابد.
تغییر در کاتد شامل اضافه شدن گرافن به پلاتین مرسوم می باشد. پلاتین که به طور معمول در این نوع سلول ها استفاده می شود، قیمت بالایی دارد، از این رو از ترکیب گرافن و پلاتین در کاتد استفاده شد. گرافن با خصوصیات فوق العاده خود باعث بهبود مشخصات فیزیکی سلول نظیر وزن کم، انعطاف پذیری مناسب، پایداری بهتر و قیمت تولید کمتر می شود. سلول پیشنهادی با استفاده از نرم افزار سیلواکو مورد تحلیل قرار گرفته است. بازده تبدیل سلول مقدار مناسب %12,90 را به ثبت رساند که بازده بسیار بالایی در حوضه ی سلول های خورشیدی حساس به رنگ به حساب می آید.
-1 مقدمه
محیط زیست از جمله موارد بسیار مهمی است که می تواند شرایط اقتصادی و سیاسی را تحت تأثیر قرار دهد، از این رو برای کاهش آلودگی هوا و کاهش گاز دی اکسید کربن، نیاز به نگاهی نو برای بدست آوردن یک انرژی پاک و ارزان قیمت بسیار ضروری است. انرژی خورشیدی با داشتن شرایطی چون دردسترس بودن و تمیز بودن از جمله انرژی های بسیار مهم برای جایگزین سایر انرژی ها از اهمیت بالای برخوردار است.
پس از کشف اثر فوتوولتائیک، زمینه ی طراحی و ساخت سلول های خورشیدی فراهم شد. بررسی روند پیشرفت سلول های خورشیدی از گذشته تا امروز نشان می دهد که در طول زمان ترکیبات مختلفی که خصوصیات فوتوولتائیک را از خود نشان می دهند طراحی و سنتز شده و در ساختار سلول های خورشیدی به کار گرفته شده اند. اولین سلول خورشیدی سیلیکونی توسط آزمایشگاه بل در سال 1953 در آمریکا ساخته شد.[1] سلول های خورشیدی سیلیکونی کریستالی به عنوان اولین نسل از سلول های خورشیدی شناخته می شوند که به دلیل استفاده از سیلیکون خالص در ساختارشان بسیار گران قیمت هستند.
پیشرفت در جهت کاهش قیمت سلول های خورشیدی سیلیکونی به ساخت نسل دوم از این سلول ها منجر شد. نسل دوم سلول های خورشیدی در مقایسه با نسل اول دارای بازده کمتر و در مقابل قیمت پایین تر هستند. نسل سوم از سلول های خورشیدی با هدف بازدهی بالاتر و قیمت پایین تر در مقایسه با نسل اول و دوم طراحی شدند. سلول های خورشیدی حساس به رنگ یکی از سلول های نسل سوم می باشد که اخیرا مورد توجه محققان قرار گرفته است. با توجه به مباحث مطرح شده، بررسی ساختارهای متفاوت سلول های خورشیدی حساس به رنگ و بهینه سازی آن ها از نیازهای ضروری و مهم امروزه می باشد.
-2 اساس کار سلول خورشیدی حساس به رنگ
به طور کلی در یک سلول خورشیدی، تبدیل نور به انرژی الکتریسیته در سه مرحله انجام می گیرد:
-1 جذب نور
-2 جدایش بار
-3 انتقال و تجمع بار بازده ی سلول خورشیدی به عملکرد هرکدام از این مراحل در
سلول بستگی دارد و می توان عملکرد یک سلول را با طراحی و انتخاب مواد مناسب به حداکثر رساند. به این ترتیب که نور خورشید از طریق الکترود شفاف وارد لایه رنگ شده و الکترونهای آن را برانگیخته میکند. سپس این الکترونها به نانوذرات تیتانیوم دیاکسید نیمهرسانا با نوار ممنوعه حدود 3,5 الکترونولت، منتقل خواهد شد. با جذب الکترونها در این نوار ممنوعه، میدان الکتریکی و سپس جریان ایجاد میشود.
این جریان وارد مدار شده و به کاتد انتقال مییابد. کاتد همچنین نقش یک کاتالیزور را دارد و الکترونها را وارد محلول الکترولیت - یدید/ تری یدید - میکند تا از طریق واکنش شیمیایی در الکترولیت، الکترونها دوباره وارد مولکول رنگ شوند و بدین ترتیب چرخه تولید جریان کامل می شود. اساس کار سلول خورشیدی به طور نمادین در شکل 1 نمایش داده شده است:
-3 کاهش اتلاف انرژی در سلول خورشیدی حساس به رنگ
به دلیل مکانیزم داخلی و سینتیک لایه های سلول، راندمان تبدیل در سلول خورشیدی واقعی به وسیله عواملی کاهش می یابد. فاکتور هایی که به طور عمده باعث کاهش راندمان می شوند عبارتند از اتلاف به دلیل بازتاب، اتلاف به دلیل بازترکیب بار، اتلاف به دلیل مقاوت های سری و موازی در سلول، که ساختارهای مختلفی برای مقابله با این اتلاف ها ارائه شده است. بازترکیب الکترون های برانگیخته و بازگشت آن ها به لایه رنگ و الکترولیت یکی از اصلی ترین مشکلاتی که سلول های خورشیدی دارد ، که این واکنش بازده تبدیل توان سلول را کاهش می دهد.
در طی سالیان گذشته محققان روش های زیادی را برای کاهش بازترکیب بار مورد استفاده قرار دادند. یکی از روش هایی که محققان زیادی در تحقیقات خود به کار بردند، استفاده از لایه ی اکسید آلومینیوم در کنار آند اکسید تیتانیوم بود.[2] این بهبود در کاهش بازترکیب به تغییر باند انرژی مربوط می شود، زیرا لایه اکسید آلومینیوم حاوی لبه باند بالاتر منفی است و برای الکترون های برانگیخته شده بازترکیب با زوج ردوکس الکترولیت سخت می شود، بنابراین سطح فرمی لایه اکسید فلز افزایش می یابد در این پژوهش به منظور کاهش بازترکیب بار، از لایه سرکوب کننده اکسید آلومینیوم در کنار فتوآند استفاده می کنیم.
-4 بهبود مشخصات فیزیکی سلول
الکترود زیرین یکی از مهمترین بخش های سلول های خورشیدی حساس شده با رنگدانه است. این الکترود اغلب از جنس پلاتین انتخاب می شود اما اخراًی جهت کاهش قیمت تولید و حفظ پایداری سلول، پلاتین با مواد دیگری جایگزین شده است. از جمله ی این مواد می توان به مواد کربنی از جمله گرافن اشاره کرد که با اضافه شدن به ساختار مقدار پلاتین مصرفی که ماده ای گران قیمت است را کاهش می دهد.
گرافن با توجه به مشخصات فیزیکی فوق العاده خود نظیر وزن کم، انعطاف پذیری بالا، پایداری مناسب، ماده بسیار مناسبی برای استفاده در الکترود متقابل می باشد. استفاده از گرافن در کنار پلاتین علاوه بر بهبود مشخصات فیزیکی سلول، به طور ویژه باعث کاهش قیمت تولید سلول خورشیدی می گردد، که یکی از مهمترین پارمترهای تولید تجاری این نسل از سلول ها می باشد.
-5 ساختار سلول پیشنهادی
ساختار مورد نظر از لایه هادی اکسید شفاف ITO ، لایه اکسید نیمه هادی تیتانیوم همراه با اکسید آلومینیوم، رنگدانه روتنیوم، الکترولیت PEO - پلی اتیلن اکسید - و PVP - پلی وینیل پیرولیدون - و الکترود زیرین پلاتین همراه با گرافن می باشد. در شکل 2 ساختار پیشنهادی را به صورت گرافیکی در محیط نرم افزار سیلواکو نمایش داده شده است. ساختار پیشنهادی در مقایسه با سلول خورشیدی حساس به رنگ مرسوم دارای دو تفاوت است که این دو تغییر شامل اضافه شدن اکسید آلومینیوم به آند و اضافه شدن گرافن به کاتد پلاتین می باشد.
ابعاد لایه های سلول مورد نظر 50/50/400/200/40/100/70 نانومتر که به ترتیب برای ساختار لایه ای هادی اکسید شفاف/اکسیدتیتانیوم/اکسیدآلومینیوم/رنگدانه/الکترولیت/گرافن /پلاتین می باشد. در این ساختار از دو پلیمر در لایه الکترولیت استفاده کردیم که برخلاف فرایند ساخت پیچیده الکرولیت های مایع، دارای فرایند به نسبت راحتتری دارند. این دو پلیمر هر کدام به شکل های جداگانه در ساختار سلول های خورشیدی محققان دیگر مورد استفاده قرار گرفته است 3]و.[4 ضخامت لایه های سلول یکی از مهمترین مواردی که در طراحی و ساخت سلول خورشیدی حائز اهمیت است.
تغییرات ضخامت لایه ها باعث تغییر در فرایند جذب فوتون و تولید جریان و در پی آن، عملکرد فتوولتاییک سلول می شود به همین خاطر، بهره تبدیل توان سلول را تحت تاثیر خود قرار می دهد. به همین منظور مقدار ضخامت اکسید آلومینیوم و گرافن را به طور جداگانه مورد تحلیل قرار دادیم که تاثیر ضخامت این دو لایه در شکل 3 نمایش داده شده است. همانطور که در شکل 3 مشخص است، بالاترین بازده تبدیل برای ضخامت اکسید آلومینیوم 40 نانومتر و برای لایه گرافن 50 نانومتر بدست آمد که از این مقادیر برای افزایش کارایی سلول در طراحی ضخامت سلول استفاده می کنیم.
-6 مشخصه یابی
برای مقایسه کارایی سلول خورشیدی از پارامترهای ولتاژ مدار باز، چگالی جریان اتصال کوتاه، بازده تبدیل و ضریب پری استفاده می شود. ولتاژ مدار باز را می توان تابعی از تفاوت تراز فرمی الکترون ها در لایه نانو متخلخل اکسید تیتانیوم و پتانسیل اکسایش کاهش الکترولیت دانست. جریان اتصال کوتاه به میزان زیادی به الکترون های تولید شده و بازترکیب داخلی الکترون ها و حفره ها بستگی دارد.
