اخبار دانشگاهی کشور / علمی فرهنگی 23 شهریور 1392 - 14 September 2013
موفقيت محققان کشور در افزايش بازده سلولهای خورشيدی
پژوهشگران دانشگاه تهران با جايگزين کردن نانوساختارهاي اکسيد روي به جاي نانوذرات اکسيد روي موفق به افزايش بازده سلولهاي خورشيدي رنگدانهاي شدند.
به گزارش پرتال دانشگاهی به نقل از سرويس فناوري ايسنا، فاطمه دهقان نيري، دانشجوي دکتري مهندسي برق-نانوالکترونيک دانشگاه تهران و محقق اين طرح اظهار کرد: براي ساخت سلولهاي خورشيدي رنگدانهاي به طور معمول از نانوذرات اکسيد تيتانيم استفاده ميشود به دليل اينکه گاف انرژي اين ماده ev 3.3 است و بسيار مناسب براي ساخت سلول خورشيدي رنگدانهاي است. زماني که مولکول رنگ برانگيخته ميشود، يک الکترون ايجاد ميکند که اين الکترون به داخل شبکهاي از نانوذرات TiO2 تزريق ميشود. اين الکترون در کل اين لايه TiO2 با پريدن از يک ذره به ذره ديگر بايد خود را به الکترود که همان لايه شفاف و رساناي اکسيد قلع آلاينده شده با قلع يا اينديم است، برساند و در آن جمع شود و جريان ايجاد کند و ليکن به دليل حرکت الکترون در بين نانوذرات ممکن است در بين مسير بازترکيب شود که اين بازترکيب ميتواند با خود رنگ، الکتروليت يا TiO2 صورت بگيرد.
وي افزود: زماني که شبکهاي از نانوذرات وجود دارد، احتمال باز ترکيب الکترون بسيار زياد است به همين دليل براي اينکه افت بازده سلولهاي خورشيدي رنگدانهاي کمترشود، از نانوسيمها به عنوان جايگزين مناسب براي نانوذرات استفاده شده است. در اين نوع سلولهاي خورشيدي امکان بازترکيب به دليل حرکت الکترون از شبکه نانوذرات وجود ندارد، زيرا الکترونهاي ايجاد شده در يک مسير مستقيم از نقطهاي که تزريق ميشود به الکترود ميرسد.
دهقان نيري تصريح کرد: درک از انتقال الکترون و مکانيزم بازترکيب در سلولهاي خورشيدي رنگدانهاي برپايه نانوسيمها يکي از مراحل کليدي در بهبود بازده سلولهاي خورشيدي رنگدانهاي است. در اين بين اکسيد روي به علت برخورداري از ويژگيهايي مانند انرژي بستگي اکسايتوني بزرگ (ev60~) و گاف انرژي مشابه با TiO2، فراواني ذخاير و سادگي فناوري رشد که هزينه توليد قطعات ساخته شده از آن را کاهش ميدهد، بسيار مورد توجه قرار گرفته است.
دانشجوي دکتري مهندسي برق-نانوالکترونيک دانشگاه تهران گفت: در اين پژوهش به ساخت، طراحي و مشخصهيابي سلولهاي خورشيدي بر پايه نانوساختارهاي اکسيد روي حساس شده با رنگدانه پرداخته شده است. اين سلولهاي خورشيدي از يک آند و کاتد تشکيل شدهاند که در اين تحقيق ساختار آند آنها مورد بررسي قرار گرفته و شرايط بهينه تعيين شده است. اين نانوساختارها ميتوانند جايگزين خوبي براي نانوذرات باشند.
دهقان نيري در مورد نحوه رشد دادن نانوسيم در اين تحقيقات اظهار کرد: رشد نانوسيمهاي اکسيد روي با استفاده از روش رسوب حمام شيميايي انجام شده که روشي آسان، کم هزينه و قابل تکرار و انجام در مقياس بزرگ بوده است. مکانيزم رشد نانوسيمهاي اکسيد روي عمودي روي لايههاي جوانه زني متفاوت با ضخامت يکسان در تصوير نشان داده شده است. ما ميدانيم که ويژگيها و ضخامت لايه جوانه زني، بر رشد نانوسيمهاي اکسيد روي اثر ميگذارد. لايههاي جوانه زني ZnO با مشخصات کريستالي ضعيف، نانوسيمهايي عمودي و ليکن با همترازي کمتري ايجاد ميکند.
وي افزود: استفاده از نانو ساختارهاي اکسيد روي به جاي نانوذرات اکسيد روي در ساخت سلولهاي خورشيدي رنگدانهاي به دليل داشتن تحرک بالاتر، باعث افزايش بازده در سلولهاي خورشيدي رنگدانهاي بر پايه اين نانو ساختارها ميشود. براي ساخت سلول خورشيدي از دو لايه جوانه زني مختلف ZnO و AZO بهره گرفته شد.
دهقان نيري در مورد نتايج مقايسهاي اين دو اظهار کرد: چگالي الکترون، ns سلولهاي ساخته شده بر لايه جوانه زني AZO چهار برابر بزرگتر از سلولهاي خورشيدي ساخته شده بر ZnO است. ثابت نرخ باز ترکيب سلولهاي ساخته شده بر پايه AZO کوچکتر از ZnO است. ضريب ديفيوژن سلولهاي بر پايه AZO، پنج برابر بزرگتر از سلولهاي ساخته شده بر پايه ZnO است که اين تأييدي بر نرخ بالاتر تزريق الکترون از رنگدانه جذب شده به فتوآند سلول است.
دهقان در ادامه افزود: پتانسيل شيميايي سلولهاي ساخته شده با ZnO بسيار کوچکتر از AZO است. کاهش پتانسيل شيميايي در سلولهاي ساخته شده بر روي لايه جوانهزني ZnO بيانگر جابهجا شدن نوار هدايت به سمت بالا در اين ساختارها است. از طرفي ولتاژ مدار باز در سلولهاي ZnO بيشتر از سلولهاي AZO است که اين تأييدي بر جابهجايي نوار هدايت در اين ساختارها است. ساختار AZO به دليل آلايش ZnO با آلومينيوم هدايت الکتريکي بيشتري نسبت به ZnO دارد. با توجه به اختلاف مورفولوژي و خواص الکتريکي در اين لايههاي جوانهزني، خازنها و مقاومتهايي که در فصل مشترک بين الکترود و لايه جوانهزني ايجاد ميشود، متفاوت است که تفاوتها و مقادير آنها را با استفاده از آناليز امپدانس الکتروشيميايي به دست آورديم و در مورد نتايج بحث کرديم. در نتيجه لايه جوانه زني تأثير زيادي بر روي انتقال و يا باز ترکيب الکترون در سلول خورشيدي دارد.
وي خاطرنشان کرد: با توجه به نتايج به دست آمده زمان انتقال الکترون مربوط به نانوسيمهاي اکسيد روي که بر روي لايه جوانه زني AZO رشد کردهاند يک مرتبه بزرگتر از لايه جوانه زني ZnO است و ليکن زمان بازترکيب الکترون کمتر از 1.5 برابر افزايش داشته است. عدم تغيير زمان بازترکيب الکترون با لايههاي جوانه زني مختلف نشاندهنده آن است که نوع لايه جوانه زني بر روي توزيع تلههاي بر روي نانوسيمهاي اکسيد روي تأثير زيادي ندارد.
نتايج اين کار تحقيقاتي که توسط فاطمه دهقان نيري، دانشجوي دکتري مهندسي برق-نانوالکترونيک دانشگاه تهران و دکتر ابراهيم اصل سليماني، عضو هيات علمي دانشگاه تهران صورت گرفته، در مجله Renewable Energy منتشر شده است.