بهینه سازی لایه های مزوپروس و پراکنده گرتیتانیم دی اکسید جهت افزایش بازده سلول های خورشیدی نانوساختار رنگدانه ای

با افزایش تقاضای بشر به انرژی، و محدودیت سوخت های فسیلی و مشکلات زیست محیطی، نیاز امروزه ی جهان به منابع انرژی جدید و پاک ضروری به نظر می رسد. از جمله ی این منابع، خورشید است که اگر توانایی بهره مندی از این انرژی بیکران مهیا گردد، دورنمایی از زندگی پاک و طبیعی برای انسان متصور خواهد بود. سلول های خورشیدی نانو ساختار در مقایسه با سلول های فتوولتایی دیگر اقبال بیشتری برای تجاری سازی دارند. برای تحقق این مهم، ابتدا باید تحقیقات در مقیاس آزمایشگاهی، جهت دست یابی به بالاترین بازدهی ممکن صورت گیرد، سپس پارامترهای بهینه شده در ساخت سلول های خورشیدی در ابعاد بزرگ (ماژول) پیاده سازی شوند. در این تحقیق با سنتز نانوذرات 20 نانومتری tio2 در فاز آناتاز (با روش سل-ژل و رشد هیدروترمال) در شرایط بهینه شده، خمیری حاوی این نانوذرات و پلیمر، تهیه و بر روی fto لایه نشانی شد. پس از مراحل حرارت دهی لایه مزوپروس شفافی بدست آمد. ضخامت های مختلف لایه شفاف tio2 ، به لحاظ اپتیکی و جذب رنگدانه بررسی شدند، نتایج طیف جذب حاکی از آن بود که با افزایش ضخامت، سطح بیشتری برای جذب رنگدانه آماده می شود. در ادامه سلول های خورشیدی با ضخامت های مختلف از لایه مزوپروس ساخته و مشخصه یابی شدند و مشاهده شد که با افزایش ضخامت، جریان اتصال کوتاه، ولتاژ مدار باز و بطور کلی بازده سلول کاهش می یابد. با آنالیز جریان-ولتاژ تاریک، نقطه ی شروع جریان تاریک با افزایش ضخامت کاهش یافته که این امر به معنی افزایش نرخ بازترکیب الکترون هاست. با آنالیز imvs، طول عمر الکترون ها در سلول ها بدست آمد، با این نتیجه که با افزایش ضخامت لایه، طول عمر الکترون ها کاهش یافته است. با آنالیز eis و شبیه سازی با مدار الکتریکی، ظرفیت شیمیایی سلول ها و مقاومت انتقال بار در آن ها بدست آمد. بررسی ظرفیت شیمیایی نشان داد که با افزایش ضخامت، تراز هدایت tio2 جابجا نشده است، و افت voc، ناشی از پایین آمدن تراز فرمی، به دلیل کاهش حامل هاست. همچنین در ولتاژهای بالا، نزدیک به voc سلول، که ساختار به قدر کافی حامل دارد تا باز ترکیب به وضوح رخ دهد، rct با افزایش ضخامت، کاهش یافته است. همچنین بررسی محدودیت دیفیوژن یونی در سلول ها انجام شد، که نشان داد، الکترولیت محدود کننده نیست. با افزایش ضخامت لایه مزوپروس، علیرغم افزایش سطح برای جذب رنگدانه، مسئله غالب در کاهش عملکرد سلول، بازترکیب است. برای کاهش باز ترکیب بین زیر لایه و الکترولیت، لایه ی بسیار نازکی از نانوذرات tio2 روی زیر لایه پوشش دهی شد، که این کار جریان را تا 22% افزایش داد. آنالیزهای imvs و eis هم کاهش بازترکیب را تاکید کردند. تخلخل لایه مزوپروس با استفاده از طیف عبور 70% محاسبه شد. در ادامه با عملیات پوشش دهی ثانویه، تخلخل 6درصد کاهش یافت. و نیز با افزایش 27% ای ضریب زبریسطح بیشتری برای جذب رنگدانه فراهم آمد. این کار جریان را تا 12% افزایش داد. نتایج نشان داد که افزایش ضخامت لایه مزوپروس اگر چه باعث افزایش تعداد رنگدانه ها و افزایش قابلیت تبدیل فوتون به الکترون می شود، اما باعث افزایش بازترکیب حامل ها شده و ترابرد الکترون در لایه مزوپروس را دچار مشکل می کند، به همین جهت برای افزایش جذب نور از لایه پراکنده گر عایق tio2 در فاز کریستالی روتایل و با اندازه 400 نانومتر استفاده شد. اسپکتروسکوپی بازتاب پخشی این لایه 98%، ثابت در تمام طول موج های مرئی، حاصل شد. در این تحقیق با بهینه سازی لایه ی مزوپروس و استفاده از لایه ی پراکنده گر به بازده 8/63% دست یافتیم.