بخشی از مقاله
چکیده
لایه نشانی به روش الکتروفورسیس کاتدي، ایجاد لایه هایی از نانوذرات کریستالی دياکسیدتیتانیوم تجاري موجود P-25 روي زیرلایه رسانا را ممکن ساخته است. در این تحقیق نانوذرات دياکسید تیتانیوم در محیط آلی بصورت پایدار پخش گردید و تاثیر پارامترهاي ولتاژ و زمان لایهنشانی بر میزان نشست و مورفولوژي پوشش ها مطالعه گردید. افزایش ولتاژ و زمان لایهنشانی باعث افزایش ضخامت پوشش ایجاد شده میشود که با ناپیوستگی در لایه همراه است. لایه دياکسید تیتانیوم ایجاد شده بعنوان الکترود کار در سلول خورشیدي الکتروشیمیایی رنگدانهاي مورد بررسی قرار گرفت. پارامترهاي الکتروشیمیایی و مدار معادل با استفاده از روش امپدانس الکتروشیمیایی تعیین گردید. منحنی جریان-ولتاژ اندازهگیري شده، بازده اي در حدود %0,5 و فاکتورپرکنندهاي %44 را نشان میدهد.
مقدمه
سلولهاي خورشیدي فتوالکتروشیمیایی رنگدانهاي1، نسل سوم سلولهاي خورشیدي هستند که برپایه جذب نور توسط رنگدانه عمل میکند و جدایش الکترون-حفره بر روي سطح یک نیمه هادي با گاف بزرگ عمل میکند. با توجه به کم هزینه بودن و قابل دسترس بودن مواداولیه و تجهیزات لازم براي ساخت این نوع سلول هاي خورشیدي توجه زیادي به آنها شدهاست. از افراد موثر در پیشرفت سلولهاي خورشیدي و گراتزل2 بودند. از جمله نیمه-رساناهایی که در سلولهاي خورشیدي رنگدانهاي بعنوان الکترود کار استفاده می شود TiO2 است، زیرا تحت تاثیر نور فرودي ازپایداري شیمیایی خوبی در محلول برخوردار است.[1].
یک روشنسبتاً ساده و کم هزینه، لایه نشانی بهروش الکتروفورسیس - EPD - 3 است که شامل یک سوسپانسیون کلوئیدي پایدار از ذرات باردار است،که تحت تاثیر یک میدان الکتریکی غیر متناوب قرار گرفته و لایهنشانی از ذرات روي الکترود با بار مخالف انجام میشود. برخی پارامترهاي موثر در این روش مربوط به سوسپانسیون مورداستفاده، مانند پتانسیل زتا و هدایت الکتریکی محلول است و قسمت دیگر مربوط به شرایط موثر در لایه نشانی اند که عبارت از زمان، ولتاژ، جریان لایهنشانی و فاصله بین الکترودها هستند. EPDشامل دو مرحله می باشد: - 1 مهاجرت ذرات باردار کلوئیدي به سمت الکترود مخالف تحت تاثیر میدان الکتریکی اعمالی. - 2
فرآیند لایه نشانی روي الکترود مخالف و تشکیل یک لایه چسبنده، که ترکیبی پیچیده از دو پدیده الکتروشیمیایی و تجمع4است.[2] مکانیزم مرحله اول بطور کامل بررسی شده و ابهامی در آن وجود ندارد، در حالیکه باوجود تلاشهاي زیاد براي مطالعه مرحله دوم مکانیزم آن بدلیل زیاد بودن پیچیدگی موجود هنوز بطورکامل مشخص نشده است.در EPD وجود یک محلول پایدار وکاملاً پخش شده براي ایجاد یک لایه چگال با ساختار یکنواخت لازم است. فوجیمارا5 ویوشیکادو6 لایهنشانی الکتروفورسیسی را محلول آبی بدون یون انجام دادند، که مزایایی از قبیل سازگاري با محیط زیست و ایجاد لایههایی با کمترین آلودگی را درپی دارد.اما مشکل اساسی محلولهاي آبی در لایهنشانی الکتروفورسیسی تولید گاز درمجاورت الکترود است، که در اثر هیدرولیز شدن آب در ولتاژهايبالاتر از 1/4V ایجاد شده و باعث شکلگیري لایههایی با حفره-هاي7 کوچک، غیریکنواخت و با چسبندگی کم میشود.
در EPDکیفیت لایه هاي ایجاد شده در محلولهاي غیرآبی نسبت به محیطهايآبی داراي از کیفیت بهتري برخوردار هستند، زیرا مشکلات ناشی از آزاد شدن حباب در نزدیکی الکترود را حذف میکند. افزایش کارآیی سلول خورشیدي با آنیل کردن الکترود کار ساخته شده توسط گرینس8 و همکارانش گزارش شده است. حرارت-500 °C450 براي خارج کردن هرگونه مواد آلی اضافی و سینترشدن نانوذرات به یکدیگر بکارمیرود که باعث بهبودافزایش ترابرداالکترون به زیرلایه رسانا میشود.[3]در این مقاله،لایه نشانی الکتروفورسیسی نانوذرات تجاري دي-اکسید تیتانیوم - P25 - بر روي زیرلایه رسانا FTO بوسیله تغییرپارامترهاي لایهنشانی و کاربرد آن بعنوان الکترود کار در سلولهاي خورشیدي رنگدانه اي بررسی شده است.
روشهاي آزمایشی
پودر نانوذرات - P25 - TiO2 از شرکت Degussa تهیه گردید.محلول نانوذرات پخش شده TiO2 مورد استفاده در این تحقیق طی مراحل زیر ساخته میشود:سوسپانسیون TiO2 شامل پودر نانوذرات - P25 - TiO2، استیل-استون و اتانول است. - محلول. - 1 این محلول براي مدت 24-48ساعت روي همرن مغناطیسی قرار میگیرد. محلول باردارکنندهشامل ید جامد، استون، آب و اتانول میباشد. - محلول. - 2 سپس محلول 1 و 2 را با هم ترکیب کرده و در حمام آلتراسوند قرار داده تا به محلولی همگن از از نانوذرات پخش شده برسیم.لایهنشانی بر روي شیشه پوشش داده شده با FTO9 با مقاوت 10- 20 Ω/□، در ظرفی عمودي انجام گرفت و ورقه اي از استیل زنگ نزن بعنوان الکترود کمکی10 با. فاصله ثابت 1 cm از الکترود کار قرارگرفت.
در هرمرحله از آزمایش 15 mL از محلول تهیه شده استفاده می-شود. ولتاژ و زمان لایهنشانی انتخابی براي ایجاد فیلم بهترتیب عبارت از 8 ،10، 15، 20 و 25 ولت و 30، 90، 180، 240 و 300ثانیه هستند. فیلم ها پس از خشک شدن درمدتدماي اتاق، به30 دقیقه در دماي 450 C درون کوره حرارت میبینند تاچسبندگی نانوذرات به یکدیگر و به زیرلایه افزایش یابد. مقدارجرم لایهنشانی شده از وزن کردن زیرلایه قبل و بعد از لایهنشانی بدست میآید. مورفولوژي سطح بوسیله میکروسکوپ نوري ومیکروسکوپ الکترونی - SEM - و ضخامت لایه ایجاد شده بوسیله دستگاه ضخامت سنج - Talysurf CCI - بررسی شده است.رنگدانه N719 ساخت شرکت Dyesol روي پوشش جذب گردید و سپس الکترود ساخته شده TiO2، همراه با یک آببند11 درکنار الکترود پلاتین نشسته و الکترولیت برپایه یونهاي بین الکترودها قرار گرفت. روش شناخت الکترولیت و الکترود پلاتین مشابه مرجع[4] می باشد. منحنی هاي جریان ولتاژ و طیفامپدانس الکتروشیمیایی سلولهاي خورشیدي ساخته شده، تحتتابش نور استاندارد - 1 sun,AM 1 . 5 - ، توسط دستگاهپتانسیوستات/گالوانوستات Auto lab تعیین گردید.
بحث و بررسی
بررسی واکنشهاي موجود در تهیه محلول نانوذرات پخش شده TiO2 در محیط آلی نانوذرات در سوسپانسیون اولیهتقریباً فاقد بارالکتریکی موثري هستند. این مطلب از هدایت الکتریکی این محلول که برابر با 0/898 است، تصدیق میشود. بنابراین براي داشتن محلولی قابل استفاده در لایه نشانی الکتروفورسیسی هدایت الکتریکی آنرا بوسیله محلول باردارکننده افزایش میدهیم. واکنش موثري که در محلول باردارکننده انجام میشود، بقرار زیر است:از معادله 2 مشخص است که واکنش ید با حالتانولیِ استون منجر به تولید و میشود؛ یون بسیار کوچک است،بنابراین تعداد زیادي از آن میتواند جذب نانوذرات TiO2شده وپوششی از بار مثبت را به آن بدهد.
لازم است زمانی داده شود تاواکنش 2 انجام شده و یون تولید شود.[5] بطوریکه هدایت آن از 3/332µS/cm به 126/8 µS/cm افزایش یابد. هدایتالکتریکی محلول TiO2 پخش شده برابر47/045 µ S/cmوزتاپتانسیل آن برابر 13/5 mV میشود.بررسی لایه نشانی الکتروفورسیسیشکل1 نمودار جریان لایهنشانی برحسب زمان لایهنشانی درولتاژهاي ثابت است. علت افت جریان ایجاد یکازپوشش عایق نانوذرات اولیه TiO2 لایهنشانی شده روي زیرلایه رسانا است.همچنین با افزایش ولتاژ لایهنشانی افزایش جریان مشاهده میشودکه بیانگر افزایش در مقدار لایه نشانی نانوذرات TiO2 است.
در شکلهاي شماره-2 الف و ب به ترتیب تغییرات جرم لایه-نشانی شده بر جسب زمان و ولتاژ لایهنشانی، نشان داده میشود.در شکل -2الف ولتاژ 10 ولت و زمان 240 ثانیه منجر به لایه نشانیتقریباً 1/7 mg/cm2 از نانوذرات TiO2 شده است،درحالیکه در همان زمان با افزایش ولتاژ به 25V همان مقدار جرمبه 5 mg/cm2 میرسد. ودر شکل -2ب تغییرات جرم لایهنشانی شده نسبت به ولتاژ لایهنشانی در دو زمان 90 و 300 ثانیه نشان داده میشود، که افزایش جرم با افزایش زمان را تائید میکند.بیشترین ترکها در لایه هایی دیده میشود که صرفنظر از ولتاژاعمالی مدت زمان 300 ثانیه براي آن اختصاص داده شدهاست کهباعث کاهش عملکرد آن در سلولهاي خورشیدي میشود مورفولوژي سطح ایجاد شده ازTiO2مورفولوژي سطح ایجاد شده بوسیله میکروسکوپ نوري و SEMبررسی شده است. لایههاي ایجاد شده متشکل از ترك هایی باپهناي میکرومتري است، بطوریکه پهنا ترکها در ولتاز 8 و زمان90ثانیه از مرتبه 5-2µm است،که با افزایش ولتاژ به20پهناولت،افزایش پیدا کرده و به 10µmمیرسد. از مهمترین دلایلی که براي
