[کاربردهای فناوری نانو] - انرژی های نو

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
3-3- خواص فوتو ولتایی

هنگامی‌که پیوند n-p تحت تابش نور خورشید قرار می‌گیرد، جفت‌های الکترون- حفره، تولید می‌شوند، که تعدادشان وابسته به شدت نور است. به دلیل میدان الکتریکی موجود در ناحیه سدی، سوق الکترون‌ها به سمت ناحیه n و حفره‌ها به ناحیه p ، صورت می‌گیرد. هنگامی که یک سیم خارجی به صورت مدار کوتاه به پیوند متصل شود، این جدایی بار، جریانی از n به سمت p بوجود می‌آورد (شکل5). به این ترتیب الکترون- حفره‌های تولید شده در یک فاصله طول پخش از لبه ناحیه تهی، سهمی در فوتوجریان خواهند داشت. نمودار نوار انرژی در مدار کوتاه و مدار باز در شکل(6) نشان داده شده است. هنگامی که دو سمت n و p در یک مدار کوتاه واقع می‌شوند، به جریان، جریان مدار کوتاه Lsc (Short-circuit current، ، نامیده می‌شود و در صورتی که مقاومت سری صفر باشد، با جریان فوتوتولیدیLL، ، برابر است. هنگامی که دو سمت n و p ایزوله می‌شوند، الکترون‌ها به سمت n و حفره‌ها به سمت p ، حرکت می‌کنند، که منجر به تولید پتانسیل می‌شود. ولتاژ ظاهر شده، ولتاژ مدار باز (Open-circuit photovoltage)، ، نامیده می‌شود [7-6].




شکل5- شماتیکی از جریان حامل در پیوند n-p تحت تابش، قرارگرفته در یک مدار کوتاه، که W پهنای ناحیه سدی است [6].


شکل6- نمودار انرژی پیوند n-p تحت تابش،a) جریان مدار کوتاه و b) مدار باز [6].

با فرض واحد بودن مساحت سلول، مشخصه جریان- ولتاژ پیوند n-p تحت تابش با رابطه زیر داده می‌شود [8-6]:


(13)







در مدار باز که است، ولتاژ از رابطه زیر بدست می‌آید[8-6]:






(14)

هنگامی که سلول خورشیدی تحت شرایطی عمل کند که توان خروجی آن ماکزیمم باشد، در نقطه عمل بهینه، ولتاژ Vm و جریانImخواهد بود. وIsc عوامل Vocتعیین کننده بازده یک سلول خورشیدی هستند، که در آینده بیشتر به آنها می‌پردازیم. بازده نهایی تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی، ، به عنوان نسبت ماکزیمم توان الکتریکی خروجی تولید شده به توان کامل نور برخوردی تعریف می‌شود و از رابطه زیر بدست می‌آید [8-6]:



(15)

که Jsc در آن چگالی فوتوجریان اندازه‌گیری شده در مدار کوتاه،Voc ولتاژ مدار باز، عامل پرشدگی (Fill Factor) سلول و Pinشدت نور برخوردی است.FF دارای مقادیر بین صفر تا یک است و به صورت
تعریف می‌شود. به منظور افزایش بازده یک سلول، بیشینه همه پارامترهای فوتو ولتایی مورد نیاز است. پارامترهای فوتو ولتایی، تحت شرایط آزمایشی استاندارد برآورد می‌شوند. طیف استاندارد برای اندازه‌گیری بازده سلول‌های خورشیدی
یا توده هوا: تابش خورشیدی در هنگام عبور از اتمسفر، تا اندازه‌ای جذب می‌شود. جذب، اغلب به دلیل وجود گازها و ذرات غبار صورت می‌گیرد [8].)، با چگالی توان فرودی
1000 و دمای
25 است [6].


4- بحث و نتیجه‌گیری:
به منظور تولید ولتاژ در یک سلول خورشیدی، به یک پیوند p-n نیاز داریم. نقش پیوند n-p، تفکیک حامل‌های بار تولید شده بوسیله نور است. به دلیل وجود میدان الکتریکی در ناحیه سدی پیوند n-p، سوق الکترون‌ها به سمت ناحیه n و حفره‌ها به ناحیه p ، صورت می‌گیرد. هنگامی که یک سیم خارجی به صورت مدار کوتاه به پیوند متصل شود، این جدایی بار، جریانی از n به سمت p بوجود می‌آورد. به این ترتیب الکترون- حفره‌های تولید شده در یک فاصله طول پخش از لبه ناحیه تهی، سهمی در فوتوجریان خواهند داشت. در شرایط پیش‌ولت معکوس، تولید الکترون‌ها وحفره‎‌ها در ناحیه تهی، در میانه تراز انرژی نیمه‌رسانا، در گاف ممنوعه انرژی رخ می‌دهد. در پیش‌ولت موافق، حامل‌ها در تراز انرژی، در گاف ممنوعه انرژی، بازترکیب می‌شوند. سه پارامتر فوتو‌ولتایی تعیین کننده بازده یک سلول خورشیدی عبارتند از:1- جریان مدار کوتاه 2
Isc- ولتاژ مدار بازVoc، و 3- عامل پرشدگیFF، .





​1.Fraas Lewis, Partain Larry, Solar Cells and Their Applications, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc.,(2010).2.A.R. Jha, Solar Cell Technology and Applications, Auerbach Pub.Taylor & Francis Group, (2010).
3.Brian, A. Gregg, “Excitonic Solar Cells”, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 4688-4698, (2003).
4.Mims III, Forrest M., “Solar Cell Projects”, Radio Shack Engineer’s Mini Notebook, First Printing, USA, (1999).
5.Hochbaum, I.Allon, Yang, Peidong, Semiconductor Nanowires for Energy Conversion, Chem. Rev., 110, 527–546,(2010).
6.Soga, T., (editor), “Nanostructured Materials for Solar Energy Conversion” (Fundamentals of Solar Cell), Elsevier, (2006).
7.Fonash, J. Stephen, “Solar Cell Device Physics”, Second Edition, USA, Elsevier Inc., (2010).
8.Wurfel, Peter, “Physics of Solar Cell From Prenciples to New Concepts”, John Wiley & Sons, Inc., (2005).
9.Grätzel, Michael, Dye-Sensitized Solar Cells, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 4., (2003).
 
آخرین ویرایش:

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ

سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ

سلول خورشیدی حساس شده با رنگ (Dye-sensitized Solar Cell, DSSC)، گونه‌ ای از سلول خورشیدی ارزان قیمت متعلق به دسته ی سلول‌ های خورشیدی لایه نازک (Thin Film Solar Cells) است. اساس کار این سلول‌ یک نیمه رساناست که از یک آند حساس به نور و یک محلول الکترولیت تشکیل می‌ شود. جذب نور توسط یک ماده ی رنگی سبب برانگیخته شدن الکترون های آن می شود. مولکول های ماده ی رنگی بسیار کوچک هستند؛ بنابراین برای جذب میزان قابل توجهی از نور خورشید از ماده ای دیگر به عنوان پایه برای نگه داشتن تعداد زیادی از مولکول های ماده ی رنگی در یک ساختار سه بعدی استفاده می شود. معمولاً تیتانیوم دی اکسید به عنوان نیمه رسانا این نقش را ایفا می کند و الکترون های برانگیخته شده را از رنگ به الکترود شمارشگر انتقال می دهد. در نهایت طی یک چرخه ی انتقال الکترون که الکترولیت در آن نقش مهمی دارد، الکترون ها به مولکول های رنگ برمی گردند. به این ترتیب، نور خورشید توسط این سلول خورشیدی به الکتریسیته تبدیل می شود. در این مقاله، ابتدا به معرفی انواع سلول های خورشیدی می پردازیم و سپس سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ، ساختار و عملکرد آن ها مورد بحث و بررسی قرار می گیرد.



 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
1- معرفی سلول های خورشیدی و نسل های مختلف آن:
امروزه، تأمین انرژی مورد نیاز بشر توسط منابع گوناگونی انجام می شود که بخش عمده ای از آن را سوخت های فسیلی مانند نفت، زغال سنگ و گاز طبیعی تشکیل می دهد. بنابراین، گسترش منابع انرژی متنوع و تجدیدپذیر برای کاهش نشر کربن دی اکسید، متان و دیگر مواد مضر امری ضروری است. خورشید یکی از منابع تأمین انرژی رایگان، پاک و عاری از اثرات مخرب زیست محیطی است که از دیرباز به روش های گوناگون مورد استفاده ی بشر قرار گرفته است. در سال های اخیر، استفاده از این منبع انرژی باعث به وجود آمدن کوره ها و سلول های خورشیدی مبدل انرژی شده است. سلول خورشیدی، وسیله ای است که انرژی خورشید را به وسیله ی اثر فوتوولتائیک (تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به الکتریسیته) و بدون اتصال به منبع ولتاژ خارجی به برق تبدیل می کند [1].

پدیده ی فوتوولتائیک فقط با برخی از طول موج ها ایجاد می شود. این به آن دلیل است که بسته های نور (فوتون ها) باید یک حداقل انرژی برای برانگیختن الکترون های ماده داشته باشند. بخشی از فوتون ها که انرژی کافی برای برانگیختن الکترون در مولکول یا نیمه رسانا را نداشته باشند، توسط ماده فوتوولتاییک جذب نمی شوند. از سوی دیگر، اگر انرژی فوتون بیشتر از میزان انرژی لازم برای برانگیختن الکترون باشد، انرژی اضافی هدر می رود. این دو پدیده باعث می شود که 70% از انرژی خورشید بدون مصرف باقی بماند [2].
از جمله کاربردهای سلول های خوشیدی می توان به موارد زیر اشاره نمود [3]:
> تأمین نیروی حرکتی ماهواره ها و سفینه های فضایی
> تأمین انرژی لازم برای دستگاه هایی که نیاز به ولتاژهای کمی دارند (مانند ماشین حساب و ساعت)
> تهیه ی برق شهر توسط نیروگاه های فوتوولتائیک
> تأمین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایق های کوچک


شکل 1- تصاویری از کاربرد سلول های خورشیدی [4]


مواد گوناگونی تاکنون در ساخت سلول های خورشیدی استفاده شده اند که بازده و هزینه-های ساخت متفاوتی دارند. در واقع این سلول ها باید طوری طراحی شوند که بتوانند طول موج های نور خورشید را که به سطح زمین می رسد با بازده بالا به انرژی مفید تبدیل کنند. موادی که برای ساخت سلول های خورشیدی استفاده می شوند در چهار نسل قرار می گیرند که همراه با مزایا و معایب در جدول 1 نشان داده شده است [5،6]

جدول 1- معرفی، مزایا و معایب نسل های گوناگون سلول های خورشیدی






 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
امروزه، بیشترین سلول های خورشیدی تجاری از سیلیکون (بیش از 86%) ساخته شده اند، در حالی که استفاده از سیلیکون در دستگاه فوتوولتائیک ممکن است به دلیل قیمت بالای تولید محدود شود. به طور کلی، از ویژگی های سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ در مقایسه با سلول های خورشیدی معدنی می توان به هزینه ی پایین تولید، تنوع رنگ و شکل، انعطاف-پذیری و سبک وزنی اشاره کرد (شکل 2). این در حالی است که سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ نسبت به سلول های خورشیدی معدنی بازده پایین تری نشان می دهند که لازم است به طور قابل توجهی بهبود داده شود[1]. سلول خورشیدی حساس شده با رنگ از دسته سلول های لایه نازک به شمار می آید و تنها نمونه ای از فناوری نسل سوم سلول های خورشیدی است که تاکنون به مرحله ی تجاری سازی رسیده است.


شکل 2- ویژگی های سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ

2- تاریخچه و معرفی سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ:
تاریخچه ی حساس سازی با رنگ به قرن نوزدهم یعنی زمان اختراع عکاسی برمی گردد. کار ووگل (H. W. Vogel) در برلین بعد از سال 1873 را می توان به عنوان اولین مطالعه ی مهم حساس سازی مواد نیمه رسانا با رنگ بررسی کرد که در آن امولسیون های نقره هالید برای تولید فیلم های عکاسی سیاه و سفید توسط رنگ ها سنتز شدند. به هر حال، استفاده از اثر فوتوولتائیک در حساس سازی با رنگ، نسبتاً ناموفق باقی ماند تا زمانی که یک پیشرفت غیر قابل انتظار در اوایل دهه ی 1990 در دانشگاه صنعتی فدرال در لوزان سوییس توسط مایکل گرتزل و برایان اورگان به دست آمد. پروفسور گرتزل (Greatzel) و همکارانش با ترکیب موفق الکترودهای نانو ساختار و رنگ های تزریق کننده ی بار (Charge Injecting Dye)، یک سلول خورشیدی با بازده تبدیل انرژی بیش از 7% را تهیه کردند. این سلول خورشیدی به عنوان "سلول خورشیدی نانو ساختار حساس شده با رنگ" یا "سلول گرتزل" نامگذاری شد. با توجه به هزینه ی پایین، عدم پیچیدگی ساختاری، بازده خوب و پایداری طولانی مدت سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ، پژوهش ها در این فناوری به سرعت در طول دو دهه ی اخیر پیشرفت کرده است [7].

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
3- ساختار سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ:
اجزای تشکیل دهنده ی سلول خورشیدی حساس شده با رنگ شامل بخش های مهمی همچون شیشه ی پوشیده شده با اکسید رسانای شفاف، نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید (Titanium dioxide, TiO2)، رنگ های حساس به نور، الکترولیت اکسایش- کاهش، الکترود شمارشگر (کاتد) و مواد ضد نشت (شکل 3) می باشد که در زیر به طور خلاصه و مفید به نقش آن ها اشاره شده است.



شکل 3- اجزا و عملکرد کلی سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ

3-1- شیشه ی پوشیده شده با اکسید رسانای شفاف:
شیشه¬ی پوشیده شده با اکسید رسانای شفاف (Transparent Conducting Oxide, TCO) به عنوان بستر برای فوتوالکترود تیتانیوم دی اکسید استفاده می شود. برای عملکرد بالای سلول خورشیدی، بستر باید مقاومت صفحه ای پایین و شفافیت بالا داشته باشد. به علاوه، مقاومت صفحه ای در دمای بالای 500 درجه باید مستقل از دما باشد؛ زیرا رسوب کردن الکترود تیتانیوم دی اکسید در دمای 500-450 درجه انجام می شود. ایندیوم- قلع اکسید (Indium-Tin Oxide, ITO) یکی از مشهورترین اکسیدهای رسانای شفاف است که دارای مقاومت پایینی در دمای اتاق می باشد. با این وجود مقاومت آن در دمای بالا در مجاورت هوا افزایش می یابد. معمولاً، قلع دی اکسید آلاییده شده (Dopped) با فلوئور (Fluorine-doped SnO2, F:SnO2, SnO2:F) به عنوان بستر رسانای شفاف در سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ کاربرد دارد.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
3-2- فوتو الکترود تیتانیوم دی اکسید:
فوتو الکترودهایی که از موادی مانند سیلیکون، گالیم آرسنید، ایندیوم فسفید و کادمیم سولفید ساخته می شوند، تحت تابش نور در محلول بر اثر خوردگی نوری تجزیه می شوند. در مقایسه، اکسیدهای نیمه رسانا به ویژه تیتانیوم دی اکسید، تحت تابش مرئی در محلول پایداری شیمیایی خوبی دارند. به علاوه این مواد غیر سمی و ارزان هستند. فوتو الکترود لایه نازک تیتانیوم دی اکسید طی یک فرایند بسیار ساده تهیه می شود. در این فرایند به منظور افزایش بازده سلول، از نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید استفاده می شود. مساحت سطح به حجم بسیار بالا برای نانو ذرات، امکان جذب مقدار بیشتری از رنگ را روی سطح فراهم می سازد. محلول کلوییدی نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید (خمیر) روی بستر اکسید رسانای شفاف لایه نشانی شده و سپس در دمای 500-450 درجه ی سانتیگراد رسوب داده می شود که به این ترتیب، تیتانیوم دی اکسید تک لایه ای با ضخامت 10 میکرومتر به دست می آید. تخلخل این لایه نیز نکته ی مهمی است. این به آن دلیل است که الکترولیت باید به راحتی داخل این لایه نفوذ کرده و بتواند سرعت انتشار یون های یدید/ تری یدید (یون های موجود در الکترولیت) به داخل لایه را کنترل کند. به منظور ایجاد تخلخل مطلوب، ترکیب های پلیمری مانند پلی اتیلن گلیکول و اتیل سلولز به داخل محلول کلوییدی تیتانیوم دی اکسید در فرآیند رسوب گیری افزوده می شود [8].

3-3- رنگ های حساس به نور:
معمولاً در بیشتر بررسی ها روی سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ، کمپلکس های روتنیوم پلی پیریدین (Ruthenium Polypyridine) به عنوان رنگ حساس به نور انتخاب می-شوند. دلیل این انتخاب شناخت گسترده ی ویژگی های فیزیک نوری و اکسایش- کاهش نوری این کمپلکس ها و هم چنین آسان بودن تغییر سطح مزدوج شدگی (Conjugation) لیگاندهای پلی پیریدین و معرفی گروه های مناسب در اطراف لیگاند به منظور بهبود خواص طیفی و اکسایش- کاهشی آن ها می باشد. کمپلکس های روتنیوم بر پایه ی کربوکسی بی پیریدین و کربوکسی ترپیریدین مانند N3 یا رنگدانه ی قرمز (سیس ـ دی ایزو تیوسیاناتوـ بیس(2،′2ـ بی-پیریدیل ـ4،′4ـ دی کربوکسیلیک اسید) روتنیوم (ІІ))، و
N719 (سیس ـ دی ایزوتیوسیاناتوـ بیس(2،′2ـ بی پیریدیل ـ4،′4ـ دی کربوکسیلاتو) روتنیوم (ІІ) بیس(تترابوتیل آمونیوم))، N749 یا رنگدانه ی سیاه (تری ایزوتیوسیاناتوـ(2،′2:′6،″6ـ ترپیریدیل ـ4،′4،″4ـ تری کربوکسیلاتو) روتنیوم (ІІ) تریس(تترابوتیل آمونیوم)) و Z907 (سیس ـ دی ایزوتیوسیاناتوـ(2،′2ـ بی پیریدیل ـ4،′4ـ دی کربوکسیلیک اسید)ـ(2،′2ـ بی پیریدیل ـ4،′4ـ دی نونیل) روتنیوم (ІІ))، مؤثرترین حساس کننده های تیتانیوم دی اکسید هستند که به دلیل بازده تبدیل انرژی بالا در سراسر جهان به عنوان رنگ های شاهد در سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ استفاده می شوند. شکل 4 ساختار مولکولی و بازده بالای تبدیل انرژی را برای هر رنگ نشان می دهد [9].



شکل 4- ساختارهای مولکولی و بازده تبدیل انرژی مهم ترین رنگ های حساس به نور [9]
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
رنگ های N719، N3 و Z907 می توانند دامنه ی گسترده ای از منطقه ی مرئی از 400 تا 800 نانومتر را جذب کنند؛ در حالی که رنگ N749 در ناحیه ی مادون قرمز نزدیک تا 900 نانومتر جذب دارد [10و8]. جذب در نواحی مادون قرمز نزدیک و مرئی در این رنگ ها، به انتقال بار از فلز به لیگاند در کمپلکس کمک می کند. بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده (Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO) و پایین ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده (Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)، به طور عمده از اوربیتال های d فلز روتنیوم و اوربیتال *π لیگاند مشتق می شود. لیگاند ایزوتیوسیانات سطح LUMO را کاهش داده و منجر به یک جابجایی قرمز (Red Shift) در خواص جذبی کمپلکس و هم چنین پذیرش آسان تر الکترون از یون های یدید موجود در الکترولیت می شود. در کمپلکس های روتنیوم، گروه های کربوکسیل برای اتصال محکم تر به سطح تیتانیوم دی اکسید وجود دارند. این اتصال محکم باعث برهم کنش الکترونی بزرگ بین لیگاند و نوار رسانایی تیتانیوم دی اکسید شده و به تزریق مؤثرتر الکترون از کمپلکس روتنیوم به تیتانیوم دی اکسید کمک می کند. کمپلکس روتنیوم روی سطح تیتانیوم دی اکسید از طریق کوئوردیناسیون دو دندانه ای کربوکسیلات یا پیوند استری لایه نشانی می شود [8].

علاوه بر رنگ های ذکر شده، رنگ های دیگری مانند پورفیرین، فتالوسیانین، پریلن و مشتق-های آن ها (شکل 5) نیز در ساختار سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ استفاده می شود که بازده آن ها در مقایسه با رنگ های پلی پیریدینی پایین تر است [1].


شکل 5- تعدادی از رنگ های استفاده شده در ساختار سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ [1]

3-4- الکترولیت اکسایش- کاهش:
الکترولیت استفاده شده در سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ شامل یون های اکسایش- کاهش یدید/ تری یدید (
[SUP]-[/SUP]I[SUP]-[/SUP]/I3) می باشد که الکترون ها را بین فوتو الکترود تیتانیوم دی اکسید و الکترود شمارشگر جابجا می کند. مخلوط هایی از نمک های یدید (لیتیم یدید، سدیم یدید، پتاسیم یدید، تترا آلکیل آمونیوم یدید و مشتق های ایمیدازولیوم یدید با غلظت 0.1 تا 0.5 مولار) و ید (غلظت 0.05 تا 0.1مولار) در یک حلال غیر پروتونی (مانند استو نیتریل، پروپیو نیتریل، متوکسی استو نیتریل، پروپیلن کربنات یا مخلوط هایی از آنها) حل می شوند. عملکرد سلول خورشیدی حساس شده با رنگ به کاتیون های مخالف یدید مانند لیتیم، سدیم، پتاسیم و تترا آلکیل آمونیوم وابسته است؛ به این دلیل که قابلیت رسانایی یون مخالف در الکترولیت یا در فرایند جذب سطحی روی سطح تیتانیوم دی اکسید، منجر به جابجایی سطح نوار رسانایی الکترود تیتانیوم دی اکسید می شود. گرانروی حلال ها به طور مستقیم روی رسانایی یون در الکترولیت و در نتیجه عملکرد سلول اثر می گذارد. برای بهبود عملکرد سلول باید از حلال هایی با گرانروی کم استفاده کرد. ترکیب های بازی مانند ترشیری بوتیل پیریدین نیز به محلول الکترولیت اضافه می شود تا عملکرد سلول را بهبود دهد. برمید/ برم و هیدروکینون نیز به عنوان الکترولیت اکسایش- کاهش برای سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ استفاده شده اند، اما الکترولیت اکسایش- کاهش ید عملکرد بهتری ارائه می دهد.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
3-5- الکترود شمارشگر (کاتد):
یون های تری یدید در الکترود شمارشگر به یدید کاهش پیدا می کنند. برای کاهش یون های تری یدید، الکترود شمارشگر باید فعالیت الکتروکاتالیزوری بالایی داشته باشد. پلاتین پوشش داده شده روی سطح اکسید رسانای شفاف (ضخامت 10-5 میکروگرم بر سانتی متر مربع یا تقریباً 200 نانومتر) یا کربن معمولاً به عنوان الکترود شمارشگر در این سلول ها استفاده می شود.

3-6- مواد ضد نشت:
یک ماده ی ضد نشت برای جلوگیری از نشت الکترولیت و تبخیر حلال مورد نیاز است. پایداری شیمیایی و فوتوشیمیایی ماده ی ضد نشت در مقایسه با جزء الکترولیت و حلال باید مورد توجه قرار گیرد. سورلین (کوپلیمر اتیلن و متاکریلیک اسید) سازگاری خوبی با این شرایط دارد [8].

4- عملکرد سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ:
به طور کلی با نگاه اجمالی در ساختار سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ، باید این سلول ها را مشابه با یک باتری قلیایی تجاری دانست که در آن یک آند و یک کاتد در دو طرف الکترولیت مایع قرار می گیرند. به این ترتیب که نور خورشید از طریق الکترود شفاف وارد لایه ی رنگ شده و الکترون های آن را برانگیخته می کند. سپس این الکترون‌ها به نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید نیمه رسانا با نوار ممنوعه حدود 5.3 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 هم چنین نقش یک کاتالیزور را دارد و الکترون ها را وارد محلول الکترولیت (یدید/ تری یدید) می‌کند تا از طریق واکنش شیمیایی در الکترولیت، الکترون‌ها دوباره وارد مولکول رنگ شوند. در سلول خورشیدی حساس شده با رنگ دو فرآیندی که در سلول های قدیمی سیلیکونی توسط سیلیکون انجام می شد تفکیک شده اند. در سلول های قدیمی، سیلیکون هم به عنوان منبع فوتو الکترون به کار می رود و هم میدان الکتریکی لازم برای جداسازی بارها و ایجاد جریان را تولید می کند؛ در حالی که در سلول خورشیدی حساس شده با رنگ، نیمه رسانا تنها برای انتقال بار به کار می رود و فوتو الکترون ها توسط یک ماده ی رنگی حساس به نور فراهم می شوند [11].

اما در نگاه دقیق تر در یک سلول خورشیدی حساس شده با رنگ، جهت بررسی مرحله به مرحله، فوتون های نور خورشید طی مراحل زیر به جریان الکتریکی تبدیل می شوند (شکل 6):

1- رنگ نشانده شده روی سطح تیتانیوم دی اکسید، شار فوتون گسیل شده را جذب می کند (معادله ی 1).
2- به دلیل انتقال بار از فلز مرکزی به لیگاند، رنگ از حالت پایه (S) به حالت برانگیخته ([SUP]*[/SUP]
S) می رسد. الکترون های برانگیخته شده به نوار رسانایی الکترود تیتانیوم دی اکسید تزریق شده و منجر به اکسایش رنگ می شوند (معادله ی 2).
3- الکترون های تزریق شده در نوار رسانایی تیتانیوم دی اکسید بین نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید انتشار یافته و میدان الکتریکی و سپس جریان را ایجاد می کنند. جریان به اکسید رسانای شفاف انتقال داده می شود تا از طریق سیم کشی خارجی به الکترود شمارشگر و سپس محلول الکترولیت برسد.
4- یون تری یدید موجود در محلول الکترولیت، الکترون ها را از الکترود شمارشگر گرفته و به یون یدید کاهش پیدا می کند (معادلهی 3).
5- رنگ اکسید شده ([SUP]+[/SUP]
S) در تماس با محلول الکترولیت، الکترون ها را از یون یدید پذیرش کرده و به حالت پایه (S) برمی گردد (معادله ی 5). یون یدید نیز پس از انتقال الکترون به حالت اکسید شده ی خود یعنی یون تری یدید تبدیل می شود (معادله ی 4) [8]


شکل 6- نحوه ی عملکرد دقیق یک سلول خورشیدی حساس شده با رنگ [12و8]

نتیجه گیری:
انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع پاک و تجدیدپذیر می تواند به عنوان جایگزینی مناسب برای سوخت های فسیلی معرفی شود. در این راستا، تعدادی از دانشمندان پژوهش های خود را به ساخت و بررسی سلول های خورشیدی اختصاص داده اند. سلول های خورشیدی در چهار نسل دسته بندی می شوند که سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ، بخشی از نسل سوم را تشکیل می دهند. هر چند بازده تبدیل انرژی در این سلول ها نسبت به سلول‌ های خورشیدی معدنی پایین تر است، اما آن چه باعث توسعه ی این نسل از سلول‌ ها شده، پایین بودن نسبت قیمت بر عملکرد آن هاست که تولید انرژی را به طور چشم گیری مقرون ‌به ‌صرفه کرده است. سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ در آغاز چرخه ی توسعه هستند و به تازگی مطالعه ی گسترده تر روی این نوع سلول ها و ارائه ی راه کارهای امیدبخش برای افزایش بازده آن ها آغاز شده است.


1. Imahori, H., Umeyama, T., Ito, S. “Large π-Aromatic Molecules as Potential Sensitizers for Highly Efficient Dye-Sensitized Solar Cells”, Accounts of Chemical Research, Vol. 42, pp. 1809-1818, (2009).
2.http://dc344.4shared.com/doc/ULh-YoeP/preview.html (ماهنامه¬ی بولتن بین-الملل، شماره 102، چاپ شهریور 1386)
3. http://comamiri2ab.persianblog.ir/post/4/
4. http://www.nnin.org/doc/iwsg2008/iwsg2008_organic_solar_cells_ski.pdf (Iyer, S.S.K. “An Introduction to Organic Solar Cells”, International Winter School for Graduate Students 2008, (2008).
5. Gourdin, G., “Solar Cell Technology. Current State of the Art”, (2007).
6. https://engineering.purdue.edu/~yep/Lectures/solarcell_technology.ppt (Cho, W. S., Wang, X., Moore, J. E., Adam, T. “Solar Cell Technology”).
7. Halme, J. “Dye-sensitized Nanostructured and Organic Photovoltaic Cells: Technical Review and Preliminary Tests”, Master’s Thesis at Helsinki University of Technology, (2002).
8. Hara, K., Arakawa, H., Luque, A., Hegedus, S. “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering (Chapter 15: Dye-sensitized Solar Cells)”, (2003).
9. Kalyanasundaram, K., Grätzel, M. “Efficient Dye-Sensitized Solar Cells for Direct Conversion of Sunlight to Electricity”, Material Matters, Vol. 4, No. 4, pp. 88-91, (2009).
10. http://www.solaronix.com/catalog/solaronix_catalog.pdf
11. Nelson, J. “The Physics of Solar Cells (Properties of Semiconductor Materials)”, Imperial College Press, (2003).
12. Longo, C., De Paoli, M.A. “Dye-Sensitized Solar Cells: A Successful Combination of Materials”, Journal of the Brazilian Chemical Society, Vol. 14, pp. 889-901, (2003).

 
آخرین ویرایش:

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
سلول های خورشیدی پلیمری

سلول های خورشیدی پلیمری

پلیمرهای مزدوج (Conjugated Polymers) اخیرا به دلیل قابلیت های کاربردیشان در ابزارهای الکترونیکی انعطاف پذیر از قبیل دیودهای نشر نور (LEDs) ، سلول های خورشیدی پلیمری و ترانزیستور های لایه نازک آلی و همچنین فراوری در محلول و قیمت ارزان آنها مورد توجه ویژه قرارگرفته اند. ضخامت لایه فعال در سلول های خورشیدی آلی پلیمری 100nm می باشد که این مقدار تقریبا 1000 مرتبه نازکتر از سلول های خورشیدی سیلیکون کریستالی و 10 مرتبه نازک تر از فیلم های معدنی است. با این حال این نوع از سلول های خورشیدی در مقایسه با سلول های معدنی کارایی 2 تا3 مرتبه کمتری را دارا می باشد. به همین دلیل ، جهت افزایش و بهبود قابلیت این سلول های پلیمری تاکنون مواد نیمه هادی بسیاری تهیه شده اند اما دانشمندان برای ساخت ماده ی ایده آل در این زمینه تلاش گسترده ای را دنبال می کنند.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
1- مقدمه
در منابع مختلف انواع گوناگونی از تقسیم بندی ها در زمینه سلولهای خورشیدی دیده میشود. سلولهای خورشیدی را از نظر فناوری ساخت می توان به سه دسته تقسیم کرد، که سلو لهای خورشیدی آلی یکی از این موارد است [1]. دراین قسمت سلولهای خورشیدی برپایه مواد آلی که جز نسل سوم سلولهای خورشیدی هستند مورد بررسی قرار می گیرد.
1-1- سلولهای خورشیدی بر پایه نیمه رساناهای آلی
جدیدترین گروه سلولهای خورشیدی شامل ملکولهای کوچک، اجزاء پلیمری و هیبرید آلی /معدنی می باشند. با وجود مقدار کارایی کم بدست آمده (% 5.15 = ηe)( ηe: Energy Conversion Efficiency) و مشکلات پایداری ، این نوع از سلولهای خورشیدی مزیتهای متعددی از قبیل فراوری آسان، انعطاف پذیری، سبک وزنی و هزینه ساخت کم را دارا می باشند[2].
1-2- نمونه هایی از سلولهای خورشیدی مبتنی بر مواد آلی
انواعی از سلولهای خورشیدی مبتنی بر مواد آلی شامل:
• سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
• سلولهای خورشیدی پلیمری
• سلولهای خورشیدی مبتنی بر بلورهای های مایع (Liquid Crystals) می باشند (شکل1).



شکل1- (الف)شمای سلول خورشیدی حساس شده با رنگ، (ب) ساختار ایده آل ابزار خورشیدی پایه بلور مایع

1-2-1 – سلول های خورشیدی پلیمری
از ویژگی های بارز سلول های خورشیدی می توان به مواردی مانند: هزینه کم، وزن سبک و ساخت راحت اشاره نمود. اما آنچه بر اهمیت آنها می افزاید، قابلیت حل شدن مواد مورد استفاده در حلالهای آلی می باشد که تهیه سلولهای خورشیدی انعطاف پذیری را امکان پذیر می سازد.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
1-3- مقایسه سلول های فتوولتاییک آلی و معدنی
فن آوری فتوولتاییک باید پایدار ،کارا و کم هزینه باشد. فتوولتاییک سیلیکون بلوری خیلی پایدار وطول عمر موثر تخمینی بالغ بر 25 سال و کارایی تبدیل انرژی 20% را دارد. با این حال فتوولتاییک پلیمری در این زمینه ارزش و قابلیت خود را در مقایسه با سلول‏های سیلیکونی به خوبی نشان داده و در جایی که فن‏آوری فتوولتاییک معدنی عملکرد موفقی به همراه نداشته است (مانند: هزینه، سازگاری با محیط زیست و تهیه‏ی سخت) به عنوان فن آوری مکمل مناسب برای سلول های خورشیدی سیلیکونی مورد استفاده قرار می‏گیرد. این در حالی است که سلول های فتوولتاییک آلی پایداری و بازده کمی را از خود نشان می‏دهند(جدول 1) [3].

جدول1- مقایسه سلولهای فتوولتاییک آلی و معدنی[3]


- اجزای سلول های خورشیدی آلی
اجزاء معمول تشکیل دهنده سلول های خورشیدی آلی درشکل زیر آمده است (شکل2) :
1) شیشه
2) ماده شفاف رسانا مثل (Indium-Tin Oxide, ITO)
3) پلیمر شفاف هادی مثل PEDOT:pSS
4) لایه فعال
5) لایه متصل کننده
6) فلز



شکل 2- اجزای سلول های خورشیدی آلی [4]

پلیمرهای مزدوج زیادی به عنوان ماده فعال برای سلول های خورشیدی مورد امتحان قرار گرفتند.اما رایج ترین پلیمرهای مزدوج آلی عبارتند از:پلی (3- هگزیل تیوفن) (P3HT) ، پلی‏( ۳-متوکسی- ۵- (2-اتیل‏هگزیل اکسی)-1و4-فنیلن وینیلن) (MEH-PPV) و پلی‏(2-متوکسی-۵-‏(3و7- دی متیل اکتیل اکسی)-1و4 فنیلن وینیلن) (MDMO-PPV) که دارای یک هسته پلی فنیلن وینیلن (PPV) مزدوج هستند (شکل3). PPV به تنهایی ماده نامحلولی است و افزایش گروه های آلکیل یا آلکوکسی روی حلقه فنیلن در MDMO-PPV وMEH-PPV این مواد را فرایند پذیر و محلول در بعضی از حلال های آلی از قبیل کلروفرم،کلروبنزن یا ۱و ۲-دی کلروبنزن می کند[3].


شکل3- پلیمرهای مزدوج رایج به کار رفته در سلول های خورشیدی

مواد پلی تیوفنی دیگر که به طور وسیعی در سلول های خورشیدی آلی استفاده می شوند شامل PEDOT:pSS یا پلی ( ۳و ۴-اتیلن اکسی تیوفن) (پلی استیرن سولفونات) است. یک لایه نازک از PEDOT:pSS معمولا به عنوان مواد هادی حفره به طور مستقیم بالای الکترود( Indium Tin Oxide, ITO) به کار برده می شود[3]. نمونه‏هایی از پلی تیوفن ها که در سلول های خورشیدی استفاده می شوند در شکل 4 نمایش داده شده است.


شکل4-مواد پلی تیوفنی به کار رفته در سلول های خورشیدی






 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
2-1 -پلیمرهای هادی
ایده استفاده از پلیمرها به جهت خواص رسانایی الکتریکی شان در سال ۱۹۷۷ با یافته هیگر( Hegger) ، مک دی آرمید (Mcdiarmid) و شیراکاوا (Shirakawa) با کشف اینکه پلی استیلن ترانس دوپه شده (Dopped (دوپانت ‏ها ی اکسیداسیونی پذیرنده الکترون یا دهنده الکترون هستند که به پلیمر افزوده شده و باعث رسانا شدن آنها می شوند) ، رسانایی فلزی از خود نشان می دهد پدیدار شد[5]. از آن موقع به بعد پلیمرهای رسانا به عنوان مواد جدیدی که خواص الکتریکی فلزات یا نیمه رساناها را با حفظ کردن خواص سودمند پلیمر نشان میدهند معرفی شدند(شکل5).

شکل5- نمونه هایی از نیمه رساناهای آلی استفاده شده در سلولهای خورشیدی پلیمری[14]

مطالعات اخیر مشخص کرد که بزرگی گاف انرژی و موقعیت لبه های نوار رسانش و والانس فاکتورهای مهمی در کنترل خواص رسانایی پلیمر دارد.
2-1-1- تئوری نوار (Band theory)
پلیمرهای رسانا از نظرمیزان رسانایی شان در دسته نیمه رساناها قرار میگیرند. بر طبق تئوری نوار، یک فلز دارای گاف انرژی صفر است چون نوار رسانش و ظرفیت با هم همپوشانی کرده و یک نوار تشکیل میدهند و حرکت حاملهای بار (الکترونها) به طور آزادانه در نوارهای جزئی پرشده منجر به رسانایی فلز می شود. از سوی دیگر انتقال الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش به خاطر گاف انرژی بالا، برای عایقها امکان پذیر نمی باشد. در یک نیمه رسانا یک نوار ظرفیت پر شده و یک نوار رسانش خالی بوسیله گاف انرژی از هم جدا می شوند که در آنجا سطوح انرژی وجود ندارند. نوار رسانش نیمه رساناها به میزان کمی بوسیله الکترونهای تحریک شده از طریق گرمایی یا فتو شیمیایی در دمای محیط اشغال می شود و این برانگیختگی حاملهای بار، برای جریان بار الکتریکی در نیمه رساناها دردسترس خواهد بود(شکل6)[5].




شکل6- مقایسه گاف انرژی بین عایق ها ، نیمه رساناها و فلزات [6]
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
2-1-2- پلیمرهای گاف کوچک
گاف انرژی پلیمر(Eg ) که تفاوت انرژی بین( LUMO=Lowest Unoccupied Molecular Orbital) و ( Highest Occupied Molecular Orbital HOMO ) است توسط عوامل متفاوتی کنترل می شود. پلیمرهای با گاف کوچک ، پلیمرهایی تعریف می شوند که جذب نور با طول موج بالای
600nm را داشته باشند. پلیمرهای تجاری استفاده شده در فتوولتاییک آلی از قبیل MEH-PPV دارای جذبی است که تا طول موج 550nm قابل گسترش است و P3HT که به طور معمول استفاده می شود دارای جذبی است که تا650nm گسترش می یابد. اگر از یک پلیمر با گاف انرژی پایین استفاده شود این عدم تطابق طیفی تقلیل می یابد که نشان از همپوشانی بهتر با طیف نشری خورشید دارد. به منظور بدست آوردن سلول خورشیدی با کارایی بالا یافتن مواد دهنده که محدوده جذب نوری و همپوشانی بهتر با نور خورشید دارند(دارای گاف انرژی پایین)ضروری می باشد. گاف انرژی می تواند عملا برای تعیین انرژی که می توان از سلول بدست آورد استفاده شود[3].

2-1-3- طراحی پلیمرهای با گاف انرژی کوچک
همانطورکه گفته شد فاکتورهای متعددی روی گاف انرژی پلیمرها موثر است برای مثال : طول مزدوج شدگی، تناوب طول پیوند، انتقال بار درون زنجیری، برهمکنش های بین مولکولی ، آروماتیسیته (Aromaticity) و استخلافها. یک ادغام از بخشهای غنی از الکترون (دهنده) و دارای کمبود الکترون (گیرنده) در زنجیر پلیمر، روش خیلی موفق جهت سنتز پلیمرهای با گاف انرژی پایین می باشد. این تناوب در زنجیر اصلی پلیمر منجر به انتقال بار درون ملکولی( ICT= Intra Molecular Charge Transport) از دهنده به گیرنده شده ونوار جذبی در انرژی کمتر را منجر می شود. منطق پشت مفهوم دهنده- گیرنده-دهنده این است که HOMO بالای دهنده و LUMO پایین گیرنده در پلیمر حاصل، ادغام می شوند و بنابراین در ساختار الکترونیکی پلیمر خصلت پیوند دوگانه افزایش و منجر به گسترش نوارهای رسانش و هدایت و القاء گاف انرژی پایین می شوند[6].

3- رسانایی در مواد آلی π - مزدوج
مکانیسم رسانایی در پلیمرهای مزدوج بر پایه وجود حاملهای بار مثبت یا منفی وحرکت این حاملهای بار در طول زنجیر اصلی زنجیر پلیمر است. حاملهای بار مثبت یا منفی از طریق فرایند اکسیداسیون یا کاهش در زنجیر اصلی پلیمرایجاد می شوند.
4- مواد گیرنده – (ACCEPTOR)
گیرنده یا پذیرنده های الکترون(Acceptors) می توانند پلیمر یا مولکولی کوچک باشند (شکل7). موادگیرنده الکترون با الکترونخواهی بالا (Electron Affinity) و شامل C60 ومشتقات محلول آن می باشند. فولرنها به دلیل الکترونخواهی بالا و توانایی انتقال کارای بار،گیرنده های پرکاربردی هستند و در واقع بهترین گیرنده های الکترونی که تاکنون شناخته شده اند می باشند. مشتقات فولرن با حلالیت خوب برای این منظور استفاده می شوند و PCBM یک مشتق متانوفولرن با حلالیت بالاست ((۶و۶)- ( فنیل-C61- بوتریک اسید متیل استر). همچنین قابل ذکر است که افزایش گیرنده گی الکترون در فولرن، بهبودی بیشتری را در کارایی ابزار حاصل می کند.



شکل7- تعدادی از گیرنده های رایج (الف)گیرنده پلیمری (ب)گیرنده مولکولی کوچک[7]
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
5- انواع معماری ها (اتصالات) در سلول های خورشیدی آلی
5- 1 سلول های فتوولتاییک آلی تک لایه
سلول های فتوولتاییک تک لایه ساده ترین صورت را در بین سلول های فتوولتاییک مختلف دارند. این سلول ها با ساندویچ کردن یک لایه از مواد فتوالکترونیکی آلی بین دو رسانای فلزی که معمولا یک لایه از ایندیم قلع اکسید (ITO) با تابع کار بالا با یک لایه از فلزات با تابع کار پایین مانند Ca ،Mg،Al است ساخته میشوند (شکل8). تفاوت تابع کار بین دو رسانا، یک میدان الکتریکی را در لایه آلی راه اندازی میکند. موقعی که یک لایه آلی، نور را جذب میکند الکترونها به اوربیتال LUMO برانگیخته شده، و تشکیل اکسایتون (Exciton) -(مترادف حفره-الکترون) می کنند. میدان الکتریکی مسئول جدایی پیوندهای الکتروستاتیک اکسایتونها بوده که منجربه کشیدن الکترون به سمت الکترود مثبت و حفره ها به سمت الکترود منفی میشودکه جریان و ولتاژ حاصل شده از این فرایند می تواند جهت انجام کار استفاده شود[8].

5- 2 -سلولهای فتوولتاییک آلی دولایه
این نوع از سلولهای خورشیدی فتوولتاییک شامل دو لایه متفاوت بین الکترودهای هادی می باشند (شکل8). این دو لایه از مواد دارای الکترونخواهی و انرژی یونیزاسیون متفاوت میباشند و بنابرین نیروی الکتروستاتیکی در سطح مشترک بین دو لایه ایجاد میشود و بنابراین این میدانهای الکتریکی محلی هر چه بزرگتر باشند امکان گسست اکسایتونها را نسبت به سلولهای فتوولتاییک تک لایه فراهم میکنند. لایه با الکترونخواهی و پتانسیل یونیزاسیون بالا به عنوان گیرنده الکترون و لایه دیگر دهنده الکترون میباشد. این ساختار به اتصالات نامتقارن دهنده- گیرنده مسطح نیز معروف است. یک لایه پلیمری، به ضخامت حد اقل
100nm جهت جذب نور کافی نیازمند است ودر چنین ضخامت بزرگی فقط بخش کمی از اکسیتونها میتوانند به سطح مشترک دو لایه برسند[9]. برای رفع این مشکل نوع جدیدی از سلولهای فتوولتاییک با اتصالات نامتقارن طراحی شدند که به سلولهای فتوولتاییک با اتصالات نامتقارن پخش شده (توده) موسومند.

5- 3 -سلولهای فتوولتاییک با اتصالات ناهمگن توده‏ای
در این نوع سلولها، الکترون گیرنده و الکترون دهنده با هم مخلوط شده وتشکیل یک آلیاژ میدهند(شکل8). اگر اندازه طول جدایی فاز مشابه طول نفوذ اکسایتون(
100nm) باشد بیشترین مقدار اکسایتون های تولید شده امکان رسیدن به سطح مشترک را دارند که به این ترتیب اکسایتونها به طورکارایی گسست مییابند والکترونها به طرف ناحیه گیرنده الکترون حرکت کرده و سپس در الکترود مربوطه انباشته میشوند و حفره ها در مسیر مخالف کشیده شده و در الکترود مقابل جمع میشوند. این نوع پیکربندی باعث افزایش مساحت بین سطحی فاز دهنده و گیرنده و در نتیجه منجر به بهبود کارایی سلول فتوولتاییک میشود[10].






شکل8- (الف)اجزاءتشکیل دهنده سلولهای خورشیدی (ب)دو لایه ای (ج)اتصالات ناهمگن توده ‏ای [7]


 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
6- انواع سلول های خورشیدی بر پایه لایه های با اتصالات ناهمگن

1-6- سلول های خورشیدی بر پایه پلیمر/ PCBM
یکی از روش های بدست آوردن جدایی کارای بار در جاذب نور پلیمری، مخلوط کردن آنها با گیرنده های مناسب است. یکی از امید بخش ترین وکاراترین ابزارها که بیشترین مطالعات تاکنون روی آن صورت گرفته برپایه روش اتصالات ناهمگن توده‏ای ، آمیزه‏های مواد کامپوزیت پلیمر/ فولرین است که در آن نیمه رساناهای پلیمری به عنوان دهنده و فولرن (مشتقات C60) به عنوان گیرنده می‏باشند و در آن ملکول‏های فولرن در یک پلیمر با یک حلال واسطه پخش می‏شود و به تبادل الکترون برای تولید الکتریسیته می پردازند. سپس فیلم فعال نوری نازک بین دو الکترود با تابع کارهای نامساوی قرار می گیرد. همانطور که گفته شد اتصالات ناهمگن توده‏ای پلیمرمزدوج-PCBM در حال حاضر بهترین سلول PV بر پایه پلیمرمزدوج می باشد(شکل9)[11].



شکل9- پلیمرمزدوج-PCBM

2-6- سلول های خورشیدی برمبنای پلیمر/پلیمر
سلول های خورشیدی با اتصالات ناهمگن توده‏ای، پلیمر/ پلیمر دارای بازده های به طور قابل ملاحظه کم هستند و کمتر مورد توجه قرار گرفته شده اند، اگرچه پتانسیل کاربری در سیستم های فتوولتاییک بزرگ مقیاس وارزان را دارند. اتصالات ناهمگن توده‏ای دو پلیمر مزدوج دارای مزیت های متعددی است. در یک مخلوط پلیمر مزدوج هر دو جزء ضریب جذب نوری بالایی را نشان می دهند و بخشهای مکمل طیف خورشیدی را پوشش می دهند وبه طور نسبی تنظیم و سازگار کردن وبهینه سازی هر کدام از اجزاءآسان است (شکل10) [11].


شکل10-ساختار پلیمرهای آلی به کار رفته در سلول های خورشیدی

3-6- سلولهای خورشیدی بر پایه پلیمرهای دهنده- گیرنده (دو کابلی)
اتصال شیمیایی بخش های گیرنده الکترون به طور مستقیم به زنجیره اصلی پلیمر دهنده از جدایی فاز جلوگیری می کند (شکل11). الکترون هایی که بوسیله انتقالات تحریک شده ایجاد می شوند بوسیله جهیدن بین بخشهای گیرنده آویزان، انتقال یافته و به حفره باقیمانده در زنجیره پلیمر اجازه انتقال بار مثبت را می دهند[11].


شکل11- شماتیک پلیمرهای دوکابلی[15].

کارایی چنین ابزارهایی کم است و این احتمالا بدلیل بازترکیبی سریع یا انتقال بار بین زنجیری غیر کارای آن باشد.




1. Zhou, Y. Bulk-heterojunction Hybrid Solar Cells Based on Colloidal CdSe Quantum Dots and Conjugated Polymers, Freiburg Im Breisgau, Dr. Thesis, 2011.
2. Stella, M. Study of Organic Semiconductors for Device Applications, Barcelona, Dr. Thesis, 2009.
3. Krebs, F. C. Polymer Photovoltaics a Practical Approach (Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, Bellingham, USA, 2007)
4. Janssen, R. A.; Hummelen, J. C.; Sariciftci, N. S. MRS Bulletin 2005, 30, 33.
5. Tarkuc, S. Tuning the Optoelectronic Properties of Conjugated Polymers via Donor-Acceptor-Donor Architectures, Natural and Applied Sciences of Middle east Technical University, Dr. Thesis, 2010.
6. Thomas, C. A. Donor-Acceptor Methods for Band Gap Reduction In Conjugated Polymers: The Role of Electron Rich Donor Heterocycles, University of Florida, Dr. Thesis, 2002.
7. Thomas Kietzke “Recent Advances in Organic Solar Cells” Review Article 2007
8. Brabec, C. J.; Sariciftci, N. S.; Hummelen, J. C. Adv. Funct. Mater. 2001, 11, 15.
9. Hadziioannou, G.; Hutten P.F.V. Semiconducting Polymers (Wiley, New York, Department of Polymer Chemistry and Materials Science Centre University of Groningen, 1999 )
10. Liao, K. S.; Yambem, S. D.; Haldar, A.; Alley, N. J.; Curran, S. A. Energies 2010, 3, 1212.
11. Gunes, S.; Neugebauer, H.; Sariciftci, N. S. Chemical Reviews 2007, 107, 1324.
12. Thompson, B. C.; Frechet, J. M. J. Angew.Chem. Int. Ed. 2008, 47, 58.
13. Brabec,C.; Zerza, G.; Cerullo, G.; De Silvestri, S.; Luzatti, S.; Hummelen, J.C.; Sariciftci, S. Chem.Phys.Lett. 2001, 340, 232.
14. Cai, W.; Gong, X.; Cao, Y. Solar Energy Materials and Solar Cells 2010, 94, 114.
15. Mozer, A. J. Charge Transport and Recombination in Bulk Heterojunction Plastic Solar Cells, Linz, Dr. Thesis, 2004.
16. Kalita,G.; Wakita,K.; Umeno,M. “Investigation of Nanostructured Organic Solar Cells with Transmission Electron Microscopy” Microscopy: Science, Technology, Applications and Education 2010
 
آخرین ویرایش:

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
معرفی باتری‌های لیتیم-یون (Li-Ion Battery)

معرفی باتری‌های لیتیم-یون (Li-Ion Battery)

فایل این مقاله به همراه مراجع
 

پیوست ها

  • معرفی باتری‌های لیتیم-یون (Li-Ion Battery).pdf
    895.7 کیلوبایت · بازدیدها: 0

artem

عضو جدید
لطفا اگه کتابی در مورد انرژی زیست توده یا انرژی استحصال شده از جزرو مد دریا دارید بزارید.باتشکر.
 

Similar threads

بالا