محققان دانشگاه شهید بهشتی موفق به ساخت نانوذراتی با اندازه ذرات یکنواخت شده‌اند که ساخت سلولهای خورشیدی رنگدانه نوع p را امکان‌پذیر می‌کند. استفاده از این نانوذرات، افزایش بازده سلولهای خورشیدی و کاهش هزینه ساخت آن‌ها را در پی خواهد داشت. این نانوساختارها قابلیت استفاده در صنایع الکترونیک نوری و پیل‌های الکتروشیمیایی را نیز دارند.
به گزارش گروه دانش خبرگزاری دانا (دانا خبر) امروزه در دنیا، بطور گسترده بر روی سلولهای خورشیدی رنگدانه نوع n کار می‌شود. این تحقیقات شامل استفاده از نانوساختارهای مختلفی از نیمه‌رساناهای اکسیدی شفاف نوع n ، نظیر اکسید تیتانیم (TiO2)، اکسید روی (ZnO) و اکسید قلع (SnO2) است. نانوذرات ساخته شده در این کار تحقیقاتی، اکسید مس- کروم (CuCrO2) است. این نانوذرات از نادر نیمه‌رساناهای اکسیدی شفاف نوع p است که قابلیت استفاده در سلولهای خورشیدی رنگدانه‌ای نوع p را دارد.
ساخت نانوذراتی با توزیع بسیار باریک و اندازه کوچک، از نتایج اصلی این کار تحقیقاتی است. اما مهم‌ترین دستاورد، ساخت تک بلورهای (single crystals) اکسید مس- کروم است. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که اندازه بلورها با اندازه نانوذرات یکسان است. تقریباً 90 درصد نانوذرات اندازه‌ای در حدود 15 نانومتر دارند و اندازه تک‌بلورها با اندازه نانوذرات همخوانی بسیار خوبی دارد.
به گفته مرتضی عاصمی، دانشجوی مقطع دکتری رشته فوتونیک پژوهشکده لیزر و پلاسمای دانشگاه شهید بهشتی، یکی از دلایل مطالعات بسیار اندک بر روی سلولهای خورشیدی رنگدانه نوع p ، نبود نیمه‌رسانای اکسیدی شفاف نوع p بوده است. با تهیه و تولید نانوذرات اکسید مس- کروم ، می‌توان اقدام به ساخت سلول خورشیدی رنگدانه نوع p نمود و قدمی در جهت افزایش بازده سلولهای خورشیدی رنگدانه برداشت.
از آنجایی که روش شیمیایی سل- ژل در مقایسه با دیگر روش‌های تولید نانوذرات، از روش‌های ساده، سریع و ارزان قیمت به‌شمار می‌رود، در این کار از این روش استفاده شده است. عاصمی معتقد است این روش می‌تواند به عنوان فرایندی کارامد در تولید نانوذرات در مقیاس انبوه و تجاری قلمداد شود. از طرف دیگر، با توجه به آنکه نانوذارت ساخته شده توزیع باریک، یک اندازه (حدود 15 نانومتر) و در عین حال تک بلور دارند، در ساخت سلول خورشیدی بطور مؤثرتری رفتار خواهند کرد. این ویژگی افزایش بازده سلول را در پی خواهد داشت. به عبارت دیگر، افزایش بازده سلول به معنی کاهش هزینه کارکرد سلول خورشیدی است.
باید دقت داشت که در هر یک از سلولهای خورشیدی رنگدانه نوع n و نوع p، تنها یکی از الکترودها فعال بوده و الکترود دیگری غیرفعال است. یکی از روش‌های افزایش بازدهی این نوع سلول‌ها، فعال نمودن همزمان دو الکترود است. در این کار با استفاده همزمان دو نوع سلول خورشیدی رنگدانه مذکور، در یک تک سلول خورشیدی حساس شده به رنگ، افزایش بازده امکان‌پذیر شده است. این سلول‌ها اصطلاحاً، سلولهای خورشیدی رنگدانه pn یا تاندم (tandem) نامیده می‌شوند.
نمایی از ساختار سلولهای خورشیدی رنگدانه pn
عاصمی در ادامه به روش تولید این نانوذرات اشاره‌ای کرد و افزود: «در طول فرآیند سل-ژل برای ساخت نانوذرات، سعی کردیم با فراهم آوردن شرایطی مناسب و تأثیر‌گذار در میزان آهنگ هسته‌زایی و آهنگ رشد، نظیر غلظت یون‌های فلزی در محلول اولیه، دمای بازپخت و مدت زمان فرآیند عملیات حرارتی، روند تشکیل نانوذرات را به سمتی سوق دهیم که آهنگ هسته‌زایی بیشتر از آهنگ رشد باشد. برای مطالعه خواص ساختاری و اندازه نانوذرات، به ترتیب از دستگاه پراش پرتو ایکس (XRD)، تعیین اندازه ذرات (PSA) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) استفاده نمودیم. علاوه بر این، بررسی خواص نوری نظیر گاف انرژی نانوذرات به کمک دستگاه طیف‌سنج UV-vis صورت گرفت».
نتایج این تحقیقات حاصل همکاری مرتضی عاصمی و دکتر مجید قناعت‌شعار- عضو هیات علمی دانشگاه شهید بهشتی است و در مجله Journal of Sol-Gel Science and Technology (جلد 70، شماره 3، ماه فوریه، سال 2014، صفحات 416 تا 421) انتشار یافته است.
ساخت نانوذراتی با توزیع بسیار باریک و اندازه کوچک، از نتایج اصلی این کار تحقیقاتی است. اما مهم‌ترین دستاورد، ساخت تک بلورهای (single crystals) اکسید مس- کروم است. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که اندازه بلورها با اندازه نانوذرات یکسان است. تقریباً 90 درصد نانوذرات اندازه‌ای در حدود 15 نانومتر دارند و اندازه تک‌بلورها با اندازه نانوذرات همخوانی بسیار خوبی دارد.
به گفته مرتضی عاصمی، دانشجوی مقطع دکتری رشته فوتونیک پژوهشکده لیزر و پلاسمای دانشگاه شهید بهشتی، یکی از دلایل مطالعات بسیار اندک بر روی سلولهای خورشیدی رنگدانه نوع p ، نبود نیمه‌رسانای اکسیدی شفاف نوع p بوده است. با تهیه و تولید نانوذرات اکسید مس- کروم ، می‌توان اقدام به ساخت سلول خورشیدی رنگدانه نوع p نمود و قدمی در جهت افزایش بازده سلولهای خورشیدی رنگدانه برداشت.
از آنجایی که روش شیمیایی سل- ژل در مقایسه با دیگر روش‌های تولید نانوذرات، از روش‌های ساده، سریع و ارزان قیمت به‌شمار می‌رود، در این کار از این روش استفاده شده است. عاصمی معتقد است این روش می‌تواند به عنوان فرایندی کارامد در تولید نانوذرات در مقیاس انبوه و تجاری قلمداد شود. از طرف دیگر، با توجه به آنکه نانوذارت ساخته شده توزیع باریک، یک اندازه (حدود 15 نانومتر) و در عین حال تک بلور دارند، در ساخت سلول خورشیدی بطور مؤثرتری رفتار خواهند کرد. این ویژگی افزایش بازده سلول را در پی خواهد داشت. به عبارت دیگر، افزایش بازده سلول به معنی کاهش هزینه کارکرد سلول خورشیدی است.
باید دقت داشت که در هر یک از سلولهای خورشیدی رنگدانه نوع n و نوع p، تنها یکی از الکترودها فعال بوده و الکترود دیگری غیرفعال است. یکی از روش‌های افزایش بازدهی این نوع سلول‌ها، فعال نمودن همزمان دو الکترود است. در این کار با استفاده همزمان دو نوع سلول خورشیدی رنگدانه مذکور، در یک تک سلول خورشیدی حساس شده به رنگ، افزایش بازده امکان‌پذیر شده است. این سلول‌ها اصطلاحاً، سلولهای خورشیدی رنگدانه pn یا تاندم (tandem) نامیده می‌شوند.
نمایی از ساختار سلولهای خورشیدی رنگدانه pn
عاصمی در ادامه به روش تولید این نانوذرات اشاره‌ای کرد و افزود: «در طول فرآیند سل-ژل برای ساخت نانوذرات، سعی کردیم با فراهم آوردن شرایطی مناسب و تأثیر‌گذار در میزان آهنگ هسته‌زایی و آهنگ رشد، نظیر غلظت یون‌های فلزی در محلول اولیه، دمای بازپخت و مدت زمان فرآیند عملیات حرارتی، روند تشکیل نانوذرات را به سمتی سوق دهیم که آهنگ هسته‌زایی بیشتر از آهنگ رشد باشد. برای مطالعه خواص ساختاری و اندازه نانوذرات، به ترتیب از دستگاه پراش پرتو ایکس (XRD)، تعیین اندازه ذرات (PSA) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) استفاده نمودیم. علاوه بر این، بررسی خواص نوری نظیر گاف انرژی نانوذرات به کمک دستگاه طیف‌سنج UV-vis صورت گرفت».
نتایج این تحقیقات حاصل همکاری مرتضی عاصمی و دکتر مجید قناعت‌شعار- عضو هیات علمی دانشگاه شهید بهشتی است و در مجله Journal of Sol-Gel Science and Technology (جلد 70، شماره 3، ماه فوریه، سال 2014، صفحات 416 تا 421) انتشار یافته است.
