ساخت سلول های خورشیدی رنگدانه ای مبتنی بر نانوذرات tio2، بررسی روش های تهیه فتوآند به منظور افزایش بازدهی

چکیده: در این پژوهش به معرفی، مطالعه اصول کارکرد و همچنین ساخت سلولهای خورشیدی نانوساختاری رنگدانه ای که متعلق به نسل سوم سلولهای خورشیدی است پرداخته می شود. درابتدا با معرفی انواع مختلف سلولهای خورشیدی و نحوه کارکرد آنها، روشهای متداول تبدیل نور خورشید به الکتریسیته توضیح داده می شود. سپس سلول خورشیدی رنگدانه ای که شامل فوتوالکترود نانوساختاری از نیمه رسانای tio2، رنگدانه n719، الکترولیت شامل زوج اکسایش-کاهش i-/i3- و همچنین الکترود پلاتین است معرفی شده و نحوه کارکرد و مراحل کلی ساخت آن بررسی می گردد. در ادامه، مروری بر تحقیقات انجام گرفته در این حوزه انجام می گردد. در بخش کارهای عملی علاوه بر انجام تمامی مراحل ساخت و تهیه سلولهای خورشیدی رنگدانه ای و گسترش تکنیکهای ساخت، مطالعه و تهیه فوتوالکترود نانوساختاری سلول با استفاده از نانوذرات نیمه رسانای tio2 انجام می گیرد. در ابتدا نحوه تهیه خمیر با استفاده از نانوذرات tio2-p25، که شامل ذراتی با اندازه های nm25-20 هستند در محیط های آبی و همچنین در محیط اتانولی و بر مبنای استفاده از ترپینئول انجام می گیرد. سپس با کنترل شرایط تهیه خمیر و بهبود آن، خمیر tio2 به روش لایه نشانی دکتر-بلید بر سطح زیرلایه شیشه ای fto/شیشه لایه نشانی می شود. با تهیه الکترود کاتد با لایه نشانی پلاتین بر سطح زیرلایه fto/شیشه به روش انداختن قطره و حرارت دهی و انجام سایر مراحل ساخت، سلولهای خورشیدی رنگدانه ای مورد مطالعه قرار می گیرند. عوامل مهمی مانند محیط تهیه خمیر tio2 و تاثیر آن بر کیفیت فوتوالکترود، تاثیر اولتراسونیک بر خواص خمیر tio2 و در نتیجه بر خصوصیات فوتوالکترود و همچنین ضخامت لایه فوتوالکترود و نوع تاثیر نهایی این عوامل بر بازدهی سلولهای خورشیدی رنگدانه ای بررسی می شود. نتایج نشان می دهند که فوتوآند های تهیه شده با استفاده از خمیرtio2 تهیه شده در محیط اتانولی و بر مبنای ترپینئول پراکندگی کمتر نور و جذب رنگ مناسبی دارند. این پراکندگی نور با استفاده از اولتراسونیک پروبی در مرحله ساخت خمیر کاهش و سلولها با جذب رنگ مناسب عملکرد بهتری را نشان می دادند. ضخامت های بیشتر فوتوآند نیز باعث افزایش رنگ و افزایش مقاومت لایه tio2 می گردید. رقابت این دو عامل باعث ایجاد ضخامت بهینه برای لایه فوتوآند در حدود ?m 15 و بازدهی قابل ملاحظه ای در حدود % 6 برای سلولها می گشت. در مرحله بعد از کارهای انجام شده نانوبلورهای tio2 به روش سل-ژل هایدروترمال و در یک محیط اسیدی سنتز شدند. این نانوذرات پس از انجام یک فرآیند سول-ژل و سپس حرارت دهی در اتوکلاو در دمای ?c 230 در فرآیند تهیه خمیر در محیط اتانولی و بر مبنای استفاده از ترپینئول بکار گرفته شدند. سطح موثر نانوذرات سنتز شده m2/g 60 بود که نسبت به سطح موثر نانوذرات tio2-p25 برابر m2/g 46 بیشتر بود. خمیر تهیه شده از این نانوذرات nm 25-20 در ساخت فوتوالکترود سلول خورشیدی رنگدانه ای بکار گرفته شد. تاثیر عوامل مهمی چون انجام فرآیند اولتراسونیک و تاثیر آن بر خصوصیات خمیر tio2، ضخامت لایه فوتوآند و همچنین انجام فرایند "بهتر سازی" با استفاده از ticl4 بر بازدهی سلول خورشیدی رنگدانه ای مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که انجام فرآیند اولتراسونیک در مرحله تهیه خمیر تاثیر عمده ای بر ایجاد چسبندگی مناسب بین لایه فوتوآند و زیرلایه دارد. همچنین ضخامت بهینه ای در اثر رقابت بین افزایش جذب رنگ و افزایش مقاومت در ضخامت های بالا ایجاد می شود. انجام فرآیند بهتر سازی با استفاده از ticl4 نیز با جلوگیری از بازترکیب ناخواسته الکترونهای فوتوآند با الکترولیت عامل پرشدگی و بازدهی سلول را بهبود می بخشد. بهترین بازدهی سلولهای ساخته شده در این مرحله %2/6 بدست آمد.