بررسی خصوصیات الکترود های نانوساختار با پایه zno در سلول های خورشیدی رنگدانه ای

امروزه با نیاز روز افزون بشر به انرژی، استفاده از انرژی های تجدیدپذیر همچون انرژی خورشیدی ضروری به نظر می رسد که یکی از راه های آن، استفاده از سلول های خورشیدی می باشد. در این پژوهش نانوساختار های گوناگون اکسید روی تولید شده و به عنوان الکترود فتوآند در سلول های خورشیدی رنگدانه ای مورد استفاده قرار گرفت. ابتدا زیر لایه fto با فیلم نازک اکسید روی به عنوان لایه جوانه زا توسط فرایند سل-ژل پوشش داده شد. سپس نانومیله های اکسید روی توسط فرایند هیدروترمال بر روی آن رشد داده شد. پس از تولید نانومیله های اکسید روی، پوسته ی نازک tio2 با ضخامت های مختلف، بر سطح نانومیله های اکسید روی به روش رسوب دهی بخار شیمیایی (cvd) ایجاد گردید، استفاده از رسوب دهی بخار شیمیایی برای ایجاد پوسته ی نازک tio2 یک ایده جدید بود که باعث افزایش راندمان سلول نیز گردید. همچنین ساختار گل شکل نانوصفحه ای اکسید روی و ساختار کروی آن که یک ساختار جدید بود نیز با استفاده از رسوب دهی حمام شیمیایی (cbd) تولید گردید. ساختار شاخه ای اکسید روی که متفاوت از پژوهش دیگر محققان بود، به وسیله رشد نانومیله های اکسید روی بر سطح نانوصفحه های اکسید روی ایجاد گردید. برای مطالعه ی ویژگی های مختلف میکروساختاری نمونه ها، آنالیز پراش پرتو ایکس (xrd)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (sem) و (fesem)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (tem)، اسپکتروسکوپی فتوالکترون پرتو ایکس (xps) و طیف سنجی uv-vis مورد استفاده قرار گرفت. با استفاده از تصاویرمیکروسکوپ الکترونی روبشی (sem) و (fesem)، مشخص شد که قطر نانومیله های اکسید روی از 30 نانومتر تا حدود 100 نانومتر تغییر می کند و طول نانومیله ها به ازای 12 ساعت فرایند هیدروترمال حدود µm6 می باشد. نتایج آنالیز پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی عبوری (tem) نشان داد که نانومیله های اکسید روی دارای ساختار بلوری wurtzite و به صورت تک بلور، اما ساختار نانوصفحه ای اکسید روی به صورت چند بلور می باشد. نتایج حاصل از اسپکتروسکوپی فتوالکترون پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی عبوری، تشکیل لایه ی نازک tio2 بر سطح نانومیله های اکسید روی را تایید کرد. با استفاده از نتایج حاصل از طیف سنجی uv-vis مشخص شد به ازای یک ضخامت مشخص، شفافیت ساختار نانوصفحه ای بالاتر از نانومیله های اکسید روی است. پس از ایجاد نانوساختار های گوناگون اکسید روی بر روی زیر لایه fto، سلول خورشیدی رنگدانه ای به صورت ساختمان ساندویچی تهیه گردید و خواص فتوالکتروشیمیایی آن بررسی شد و منحنی j-v مربوط به سلول های خورشیدی به دست آمد. سپس به مطالعه ی تأثیر پارامتر های گوناگون بر راندمان سلول خورشیدی پرداخته شد. تست سلول های خورشیدی رنگدانه ای با پایه نانومیله های اکسید روی نشان داد با افرایش ضخامت لایه ی نانومیله ای اکسید روی، راندمان سلول ابتدا اندکی افزایش می یابد اما با ازای ضخامت های بالاتر دوباره کاهش می یابد. نتایج حاصل از آزمایش ها نشان داد که ایجاد پوسته tio2 بر روی نانومیله های اکسید روی، تأثیر قابل توجهی بر دانسیته جریان اتصال کوتاه (jsc)، ولتاژ مدار باز (voc)، فاکتور پرکنندگی (ff) و راندمان سلول دارد. با ایجاد پوسته tio2به ضخامت 14 نانومتر بر روی نانومیله های اکسید روی، راندمان سلول از %45/0 به %92/0 افزایش یافت که یک افزایش دو برابری را نشان می دهد. همچنین فاکتور پرکنندگی با بهبود 62 درصدی از 37/0 به 60/0 افزایش پیدا کرد. برای پوسته tio2با ضخامت 21 نانومتر، voc از v53/0 به v68/0 افزایش یافت. نتایج نشان داد که با استفاده از ساختار هسته-پوسته و استفاده از نانومیله های با سطح ویژه بالا می توان به راندمان بالاتر سلول های خورشیدی رنگدانه ای با پایه zno دست یافت. نتایج حاصل از آزمایش ها نشان داد که استفاده از ساختار نانوصفحه ای و کروی اکسید روی به جای نانومیله های اکسید روی، تأثیر قابل توجهی بر بهبود دانسیته جریان اتصال کوتاه (jsc)، ولتاژ مدار باز (voc)، فاکتور پرکنندگی (ff) و راندمان سلول دارد. با استفاده از ساختار نانوصفحه ای اکسید روی به جای نانومیله های اکسید روی، راندمان سلول از %45/0 به %9/2 افزایش یافت که یک افزایش چندین برابری را نشان می دهد. بالاترین راندمان سلول برای ساختار کروی اکسید روی %8/3 حاصل شد. همچنین با استفاده از ساختار شاخه ای اکسید روی، راندمان سلول و دیگر پارامترها بهبود یافت که به دلیل سطح ویژه بالای این ساختار می باشد. علاوه بر این در ساختار نانوصفحه ای و کروی اکسید روی با افزایش ضخامت، راندمان سلول چندین برابر می شود اما در مورد نانومیله های اکسید روی چنین امری امکان پذیر نیست. طراحی آزمایش ها با روش تاگوچی انجام گرفت و شرایط آزمایش بهینه به دست آمد. نتایج تست سلول های خورشیدی نشان داد مدت زمان حساس سازی توسط رنگ، یکی از پارامترهای مهم در راندمان سلول های خورشیدی رنگدانه ای با پایه اکسید روی می باشد و بالاترین راندمان به ازای زمان حساس سازی 30 دقیقه حاصل شد.