افزایش بازده سلول‌های خورشیدی با استفاده از نانوساختارها ‏

نانوساختارهای اکسید روی در ساخت سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به جای نانوذرات اکسید روی به‌وسیله‌ی پژوهشگران ‏دانشگاه تهران به کار گرفته شد. ‏

نانوساختارهای اکسید روی در ساخت سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به جای نانوذرات اکسید روی به‌وسیله‌ی پژوهشگران ‏دانشگاه تهران به کار گرفته شد. این نانوساختارها به دلیل داشتن تحرک بالاتر، باعث افزایش بازده در سلول‌های خورشیدی ‏رنگدانه‌ای بر پایه این نانوساختارها می‌شود.‏

برای ساخت سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به طور معمول از نانوذرات اکسید تیتانیم استفاده می‌شود به دلیل اینکه گاف ‏انرژی این ماده ‏ev‏ 3/3 است و بسیار مناسب برای ساخت سلول خورشیدی رنگدانه‌ای است. زمانی که مولکول رنگ برانگیخته ‏می‌شود، یک الکترون ایجاد می‌کند که این الکترون به داخل شبکه‌ای از نانوذرات ‏TiO_2‎‏ تزریق می‌شود. این الکترون در کل این ‏لایه ‏TiO_2‎‏ با پریدن از یک ذره به ذره دیگر باید خود را به الکترود که همان لایه شفاف و رسانای اکسید قلع آلاینده شده با قلع ‏یا ایندیم است برساند و در آن جمع شود و جریان ایجاد کند ولیکن به دلیل حرکت الکترون در بین نانوذرات ممکن است ‏در بین مسیر بازترکیب شود که این بازترکیب می‌تواند با خود رنگ، الکترولیت یا ‏TiO_2‎‏ صورت بگیرد. زمانی که شبکه‌ای از ‏نانوذرات وجود دارد احتمال باز ترکیب الکترون بسیار زیاد است به همین دلیل برای اینکه افت بازده سلول‌های خورشیدی ‏رنگدانه‌ای کمترشود از نانوسیم‌ها به عنوان جایگزین مناسب برای نانوذرات استفاده شده است. در این نوع سلول‌های خورشیدی ‏امکان بازترکیب به دلیل حرکت الکترون از شبکه نانوذرات وجود ندارد زیرا الکترون‌های ایجاد شده در یک مسیر مستقیم از نقطه‏‌ای که تزریق می‌شود به الکترود می‌رسد. درک از انتقال الکترون و مکانیزم بازترکیب در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای برپایه ‏نانوسیم‌ها یکی از مراحل کلیدی در بهبود بازده سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای است. در این بین اکسید روی به علت برخورداری ‏از ویژگی‌هایی مانند انرژی بستگی اکسایتونی بزرگ (‏ev‏60‏‎~‎‏) و گاف انرژی مشابه با ‏TiO_2‎، فراوانی ذخایر و سادگی فناوری رشد، ‏که هزینه تولید قطعات ساخته شده از آن را کاهش می‌دهد، بسیار مورد توجه قرار گرفته است.‏

در این پژوهش به ساخت، طراحی و مشخصه‌یابی سلول‌های خورشیدی بر پایه نانوساختار‌های اکسید روی حساس شده با ‏رنگدانه پرداخته شده است. این سلول‌های خورشیدی از یک آند و کاتد تشکیل شده‌اند که در این تحقیق ساختار آند آنها مورد ‏بررسی قرار گرفته و شرایط بهینه تعیین گردید. این نانوساختار‌ها می‌توانند جایگزین خوبی برای نانوذرات باشند.‏

فاطمه دهقان نیری دانشجوی دکتری مهندسی برق-نانوالکترونیک دانشگاه تهران در مورد نحوه رشد دادن نانوسیم در این ‏تحقیقات گفت: «رشد نانوسیم‌های اکسید روی با استفاده از روش رسوب حمام شیمیایی انجام شده که روشی آسان، کم هزینه و قابل تکرار ‏و انجام در مقیاس بزرگ بوده است. مکانیزم رشد نانوسیم‌های اکسید روی عمودی روی لایه‌های جوانه زنی متفاوت با ضخامت ‏یکسان در تصویر نشان داده شده است. ما می‌دانیم که ویژگی‌ها و ضخامت لایه جوانه زنی، بر رشد نانوسیم‌های اکسید روی ‏اثر می‌گذارد. لایه‌های جوانه زنی ‏ZnO‏ با مشخصات کریستالی ضعیف، نانوسیم‌هایی عمودی ولیکن با همترازی کمتری ایجاد ‏می‌کند.»‏

استفاده از نانو ساختارهای اکسید روی به جای نانوذرات اکسید روی در ساخت سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به دلیل ‏داشتن تحرک بالاتر، باعث افزایش بازده در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای بر پایه این نانو ساختارها می‌شود. برای ساخت ‏سلول خورشیدی از دو لایه جوانه زنی مختلف ‏ZnO‏ و ‏AZO‏ بهره گرفته شد. دهقان نیری در مورد نتایج مقایسه‌ای این دو ‏گفت: «چگالی الکترون، ‏ns‏ سلول‌های ساخته شده بر لایه جوانه زنی ‏AZO‏ چهار برابر بزرگتر از سلول‌های خورشیدی ساخته ‏شده بر ‏ZnO‏ است. ثابت نرخ باز ترکیب سلول‌های ساخته شده بر پایه ‏AZO‏ کوچکتر از ‏ZnO‏ است. ضریب دیفیوژن سلول‌های ‏بر پایه ‏AZO‏، 5 برابر بزرگتر از سلول‌های ساخته شده بر پایه ‏ZnO‏ است که این تأییدی بر نرخ بالاتر تزریق الکترون از رنگدانه ‏جذب شده به فتوآند سلول است.»

دهقان در ادامه افزود: «پتانسیل شیمیایی سلول‌های ساخته شده با ‏ZnO‏ بسیار کوچکتر از ‏AZO‏ است. کاهش پتانسیل ‏شیمیایی در سلول‌های ساخته شده بر روی لایه جوانه‌زنی ‏ZnO‏ بیانگر جابه‌جا شدن نوار هدایت به سمت بالا در این ساختارها ‏است. از طرفی ولتاژ مدار باز در سلول‌های ‏ZnO‏ بیشتر از سلول‌های ‏AZO‏ است که این تأییدی بر جابه‌جایی نوار هدایت در این ‏ساختارها است. ساختار ‏AZO‏ به دلیل آلایش ‏ZnO‏ با آلومینیوم هدایت الکتریکی بیشتری نسبت به ‏ZnO‏ دارد. با توجه به اختلاف ‏مورفولوژی و خواص الکتریکی در این لایه‌های جوانه‌زنی، خازن‌ها و مقاومت‌هایی که در فصل مشترک بین الکترود و لایه جوانه‏‌زنی ایجاد می‌شود، متفاوت است که تفاوت‌ها و مقادیر آنها را با استفاده از آنالیز امپدانس الکتروشیمیایی به‌دست آوردیم و در ‏مورد نتایج بحث کردیم. در نتیجه لایه جوانه زنی تأثیر زیادی بر روی انتقال و یا باز ترکیب الکترون در سلول خورشیدی دارد. ‏با توجه به نتایج به‌دست آمده زمان انتقال الکترون مربوط به نانوسیم‌های اکسید روی که بر روی لایه جوانه زنی ‏AZO‏ رشد ‏کرده‌اند یک مرتبه بزرگتر از لایه جوانه زنی ‏ZnO‏ است ولیکن زمان بازترکیب الکترون کمتر از 1.5 برابر افزایش داشته ‏است.عدم تغییر زمان بازترکیب الکترون با لایه‌های جوانه زنی مختلف نشاندهنده آن است که نوع لایه جوانه زنی بر روی توزیع ‏تله‌های بر روی نانوسیم‌های اکسید روی تأثیر زیادی ندارد.»‏

نتایج این کار تحقیقاتی که به دست خانم فاطمه دهقان نیری، دانشجوی دکتری مهندسی برق-نانوالکترونیک دانشگاه ‏تهران و آقای دکتر ابراهیم اصل سلیمانی، عضو هیئت علمی دانشگاه تهران صورت گرفته است، در مجله ‏Renewable ‎Energy‏ (جلد 60، دسامبر 2013) منتشر شده است. علاقمندان می‌توانند متن کامل مقاله را در صفحات 246 الی 255 همین ‏شماره مشاهده نمایند.‏ وبسایت رسمی ژورنال

منبع:
nano.ir
و
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148113002516