سلول خورشیدی - جلسه چهارم
سلول های فتوولتایی تک لایه ساده ترین صورت را در بین سلول های فتوولتایی مختلف دارند.
نویسنده : شایان فروزنده دل
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :
تاریخ : شنبه 1396/10/30 ساعت 09:39
عنوان:
. انواع معماری ها (اتصالات) در سلول های خورشیدی آلی
اهداف جلسه:
· آشنایی با معماری های سلول های خورشیدی
وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
مقدمه:
انواع معماری ها (اتصالات) در سلول‌های خورشیدی آلی
سلول‌های فتوولتایی آلی تک لایه
سلول‌های فتوولتایی تک لایه ساده ترین صورت را در بین سلول‌های فتوولتایی مختلف دارند. این سلول ها با ساندویچ کردن یک لایه از مواد فتوالکترونیکی آلی بین دو رسانای فلزی که معمولاً 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 می شوند. تفاوت تابع کار بین دو رسانا، یک میدان الکتریکی را در لایه آلی راه‌اندازی 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 اکسایتون ها بوده که منجر به کشیدن الکترون به سمت الکترود مثبت و حفرهها به سمت الکترود منفی می شود که جریان و اختلاف پتانسیل الکتریکی حاصل‌شده از این فرایند می تواند جهت انجام کار استفاده شود.
سلول‌های فتوولتایی آلی دو لایه
این نوع از سلول‌های خورشیدی فتوولتایی شامل دو لایه متفاوت بین الکترودهای هادی می باشند. این دو لایه از مواد دارای الکترون‌خواهی و انرژی یونیزاسیون متفاوت می باشند و بنابراین نیروی الکتروستاتیکی در سطح مشترک بین دو لایه ایجاد می شود و بنابراین این میدان های الکتریکی محلی هر چه بزرگ‌تر باشند امکان گسست اکسایتون ها را نسبت به سلول‌های فتوولتایی تک لایه فراهم میکنند. لایه با الکترون‌خواهی و پتانسیل یونیزاسیون بالا به عنوان گیرنده الکترون و لایه دیگر دهنده الکترون می باشد. این ساختار به اتصالات نامتقارن دهنده-گیرنده مسطح نیز معروف است. یک لایه بَسپاری، به ضخامت حداقل 100نانومتر جهت جذب نور کافی نیازمند است و در چنین ضخامت بزرگی فقط بخش کمی از اکسیتون ها می توانند به سطح مشترک دو لایه برسند. برای رفع این مشکل نوع جدیدی از سلول‌های فتوولتایی با اتصالات نامتقارن طراحی شدند که به سلول‌های فتوولتایی با اتصالات نامتقارن پخش‌شده (تودهای) معروف‌اند.
سلول‌های فتوولتایی با اتصالات ناهمگن تودهای
در این نوع سلولها، الکترون گیرنده و الکترون دهنده باهم مخلوط شده و تشکیل یک آلیاژ میدهند. اگر اندازه طول جدایی فاز مشابه طول نفوذ اکسایتون(nm100) باشد بیش‌ترین مقدار اکسایتون های تولیدشده امکان رسیدن به سطح مشترک را دارند که به این ترتیب اکسایتون ها به طور کلی گسست مییابند و الکترون‌ها به طرف ناحیه گیرنده الکترون حرکت کرده و سپس در الکترود مربوطه انباشته می شوند و حفره ها در مسیر مخالف کشیده شده و در الکترود مقابل جمع می شوند. این نوع پیکربندی باعث افزایش مساحت بین سطحی فاز دهنده و گیرنده و در نتیجه منجر به بهبود کارایی سلول فتوولتایی می شود.
انواع سلول‌های خورشیدی بر پایه لایه های با اتصالات ناهمگن
سلول‌های خورشیدی بر پایه بَسپار/ PCBM
یکی از امیدبخش‌ترین و کاراترین ابزارها که بیش‌ترین مطالعات تاکنون روی آن صورت گرفته بر پایه روش اتصالات ناهمگن توده ای، آمیزه های مواد چندسازه بَسپار/ فولرین است که در آن نیمه‌رساناهای بَسپاری به عنوان دهنده و فولرن (مشتقات C60) به عنوان گیرنده می باشند و در آن مولکول های فولرن در یک بَسپار با یک حلال واسطه پخش می شود و به تبادل الکترون برای تولید الکتریسیته می پردازند. سپس فیلم فعال نوری نازک بین دو الکترود با تابع کارهای نامساوی قرار می گیرد. همان طور که گفته شد اتصالات ناهمگن تودهای بَسپار مزدوج-PCBM در حال حاضر بهترین سلول PV بر پایه بَسپار مزدوج میباشد.
سلول‌های خورشیدی بر مبنای بَسپار/بَسپار
سلول‌های خورشیدی با اتصالات ناهمگن تودهای، بَسپار/بَسپار دارای بازده های به طور قابل ملاحظه کم هستند و کمتر مورد توجه قرارگرفته‌شده اند، اگرچه پتانسیل کاربری در سیستم های فتوولتایی بزرگ مقیاس و ارزان را دارند. اتصالات ناهمگن تودهای دو بَسپار مزدوج دارای مزیت های متعددی است. در یک مخلوط بَسپار مزدوج هر دو جزء ضریب جذب نوری بالایی را نشان می دهند و بخش‌های مکمل طیف خورشیدی را پوشش می دهند و به طور نسبی تنظیم و سازگار کردن و بهینه سازی هر کدام از اجزاء آسان است.
ساختار بَسپارهای آلی به‌کاررفته در سلول‌های خورشیدیسلولهای خورشیدی بر پایه بَسپارهای دهنده - گیرنده (دو کابلی)
اتصال شیمیایی بخش‌های گیرنده الکترون به طور مستقیم به زنجیره اصلی بَسپار دهنده از جدایی فاز جلوگیری می کند. الکترون هایی که به وسیله انتقالات تحریک‌شده ایجاد می‌شوند به وسیله جهیدن بین بخش‌های گیرنده آویزان، انتقال‌یافته و به حفره باقی مانده در زنجیره بَسپار اجازه انتقال بار مثبت را می دهند. کارایی چنین ابزارهایی کم است و این احتمالاً به دلیل باز ترکیبی سریع یا انتقال بار بین زنجیری غیرکارای آن باشد.
سلول‌های خورشیدی هیبریدی
یک سلول خورشیدی هیبریدی شامل ادغام دو ماده نیمه‌رسانای آلی و معدنی است. در واقع ادغامی از خواص منحصربه‌فرد نیمه‌رساناهای معدنی با خواص فیلم ساختی بَسپارهای مزدوج میباشد که شامل مواد آلی یا بَسپارهای مزدوج که نور را جذب و به عنوان الکترون دهنده و انتقال‌دهنده حفره عمل می کنند و مواد معدنی که در این نوع سلول ها به عنوان الکترون گیرنده و انتقال‌دهنده الکترون‌ها استفاده می شوند. راهکار موثر برای ساخت سلول‌های خورشیدی هیبریدی استفاده از مخلوط هایی از نانو ذره ها با بَسپارهای نیمه‌رسانا به صورت اتصالات ناهمگن تودهای است.
نحوه عملکرد سلول‌های خورشیدی بَسپاری
فرایند تبدیل نور به الکتریسیته به وسیله سلول خورشیدی آلی به طور شماتیک به صورت مراحل زیر توصیف می‌شود:
1) جذب فوتون که منجر به یک حالت نور تحریکی می شوn.
2) تولید یک جفت حفره - الکترون (اکسایتون)
3) جدایی بار بانفوذ اکسایتون به ناحیه هایی که در آن جا تفکیک می شود .
4) انتقال بار از درون نیمه هادی به الکترودهای مربوط.
به دلیل شکاف انرژی بالا در مواد آلی فقط بخش کوچکی از نور خورشیدی تابش شده جذب می شود. طول نفوذ اکسایتون باید از نظر بزرگی هم اندازه با طول جدایی فاز دهنده - گیرنده باشد. در غیر این صورت متلاشی شدن اکسایتون ها از طریق مسیرهای تابشی یا غیر تابشی قبل از رسیدن به سطح مشترک اتفاق میافتد. طول نفوذ اکسایتون ها در نیمه‌رساناهای آلی و بَسپارها معمولاً حدود 10 تا 20 نانومتر است. مخلوط کردن بَسپارهای مزدوج با الکترون گیرنده هایی مانند فولرن ها یک روش خیلی کارا جهت شکافتن اکسیتون های نور تحریکی به حامل های بار آزاد است. مطالعات نور فیزیکی نشان داده است که انتقال بار نور تحریکی در چنین مخلوط هایی خیلی سریع‌تر از فرایندهای آسایشی رقیب خواهد بود.
از بین انواع متفاوت سلول‌های خورشیدی، سلول‌های خورشیدی آلی به دلیل مزایایی هم چون انعطاف‌پذیری، ارزان بودن و غیره توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند.از مهم‌ترین اجزا سلول‌های خورشیدی آلی مواد دهنده و گیرنده آن است که از مهم‌ترین مواد دهنده می‌توان به بَسپارهای هادی چون (MEH-PPV) و از مواد گیرنده به مشتقات فولرن اشاره کرد.
از بین روش‌های متفاوت اتصالات در سلول‌های خورشیدی روش اتصالات ناهمگن تودهای[Bulk Heterojunction] به دلیل افزایش سطح تماس‌گیرنده و دهنده و راحت تر شدن انتقال الکترون بهترین است. تلاش هایی که اخیراً انجام‌شده برای تهیه گیرنده های الکترونی است که تحرک الکترونی بالایی دارند می‌توانند به جای مشتقات فولرن که گران‌قیمت هستند، استفاده شوند.
اهمیت و مزایای استفاده از سلول‌های خورشیدی
-پاک و بدون آلودگی (حذف انتشار گازهای گلخانه‌ای از جمله دی اکسید کربن)
-انرژی بی‌پایان
-رایگان و در دسترس
-کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی
-امن و بی‌خطر
علل احتیاج به سلول خورشیدی
توسعه سلول های خورشیدی برای مقاصد زیر است:
1- احتیاج داشتن به منابع الکتریسیته مناسب برای مكان‌های دور از شبكة برق اصلی
2- پمپ كردن آب
3- فانوس برج‌ها
4- ماشین‌حساب‌ها و دوربین‌های عكاسی
5- احتیاج داشتن به توان تجدید شدنی و قابل‌حمل
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
تنظیم: زینب شاه مرادی
. انواع معماری ها (اتصالات) در سلول های خورشیدی آلی
اهداف جلسه:
· آشنایی با معماری های سلول های خورشیدی
وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت
مقدمه:
انواع معماری ها (اتصالات) در سلول‌های خورشیدی آلی
سلول‌های فتوولتایی آلی تک لایه
سلول‌های فتوولتایی تک لایه ساده ترین صورت را در بین سلول‌های فتوولتایی مختلف دارند. این سلول ها با ساندویچ کردن یک لایه از مواد فتوالکترونیکی آلی بین دو رسانای فلزی که معمولاً 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 می شوند. تفاوت تابع کار بین دو رسانا، یک میدان الکتریکی را در لایه آلی راه‌اندازی 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 اکسایتون ها بوده که منجر به کشیدن الکترون به سمت الکترود مثبت و حفرهها به سمت الکترود منفی می شود که جریان و اختلاف پتانسیل الکتریکی حاصل‌شده از این فرایند می تواند جهت انجام کار استفاده شود.
(الف) اجزاء تشکیل دهنده سلول‌های خورشیدی (ب) دو لایه ای (ج) اتصالات ناهمگن تودهای
این نوع از سلول‌های خورشیدی فتوولتایی شامل دو لایه متفاوت بین الکترودهای هادی می باشند. این دو لایه از مواد دارای الکترون‌خواهی و انرژی یونیزاسیون متفاوت می باشند و بنابراین نیروی الکتروستاتیکی در سطح مشترک بین دو لایه ایجاد می شود و بنابراین این میدان های الکتریکی محلی هر چه بزرگ‌تر باشند امکان گسست اکسایتون ها را نسبت به سلول‌های فتوولتایی تک لایه فراهم میکنند. لایه با الکترون‌خواهی و پتانسیل یونیزاسیون بالا به عنوان گیرنده الکترون و لایه دیگر دهنده الکترون می باشد. این ساختار به اتصالات نامتقارن دهنده-گیرنده مسطح نیز معروف است. یک لایه بَسپاری، به ضخامت حداقل 100نانومتر جهت جذب نور کافی نیازمند است و در چنین ضخامت بزرگی فقط بخش کمی از اکسیتون ها می توانند به سطح مشترک دو لایه برسند. برای رفع این مشکل نوع جدیدی از سلول‌های فتوولتایی با اتصالات نامتقارن طراحی شدند که به سلول‌های فتوولتایی با اتصالات نامتقارن پخش‌شده (تودهای) معروف‌اند.
سلول‌های فتوولتایی با اتصالات ناهمگن تودهای
در این نوع سلولها، الکترون گیرنده و الکترون دهنده باهم مخلوط شده و تشکیل یک آلیاژ میدهند. اگر اندازه طول جدایی فاز مشابه طول نفوذ اکسایتون(nm100) باشد بیش‌ترین مقدار اکسایتون های تولیدشده امکان رسیدن به سطح مشترک را دارند که به این ترتیب اکسایتون ها به طور کلی گسست مییابند و الکترون‌ها به طرف ناحیه گیرنده الکترون حرکت کرده و سپس در الکترود مربوطه انباشته می شوند و حفره ها در مسیر مخالف کشیده شده و در الکترود مقابل جمع می شوند. این نوع پیکربندی باعث افزایش مساحت بین سطحی فاز دهنده و گیرنده و در نتیجه منجر به بهبود کارایی سلول فتوولتایی می شود.
انواع سلول‌های خورشیدی بر پایه لایه های با اتصالات ناهمگن
سلول‌های خورشیدی بر پایه بَسپار/ PCBM
یکی از امیدبخش‌ترین و کاراترین ابزارها که بیش‌ترین مطالعات تاکنون روی آن صورت گرفته بر پایه روش اتصالات ناهمگن توده ای، آمیزه های مواد چندسازه بَسپار/ فولرین است که در آن نیمه‌رساناهای بَسپاری به عنوان دهنده و فولرن (مشتقات C60) به عنوان گیرنده می باشند و در آن مولکول های فولرن در یک بَسپار با یک حلال واسطه پخش می شود و به تبادل الکترون برای تولید الکتریسیته می پردازند. سپس فیلم فعال نوری نازک بین دو الکترود با تابع کارهای نامساوی قرار می گیرد. همان طور که گفته شد اتصالات ناهمگن تودهای بَسپار مزدوج-PCBM در حال حاضر بهترین سلول PV بر پایه بَسپار مزدوج میباشد.
بَسپار مزدوج-PCBM
سلول‌های خورشیدی با اتصالات ناهمگن تودهای، بَسپار/بَسپار دارای بازده های به طور قابل ملاحظه کم هستند و کمتر مورد توجه قرارگرفته‌شده اند، اگرچه پتانسیل کاربری در سیستم های فتوولتایی بزرگ مقیاس و ارزان را دارند. اتصالات ناهمگن تودهای دو بَسپار مزدوج دارای مزیت های متعددی است. در یک مخلوط بَسپار مزدوج هر دو جزء ضریب جذب نوری بالایی را نشان می دهند و بخش‌های مکمل طیف خورشیدی را پوشش می دهند و به طور نسبی تنظیم و سازگار کردن و بهینه سازی هر کدام از اجزاء آسان است.
ساختار بَسپارهای آلی به‌کاررفته در سلول‌های خورشیدی
اتصال شیمیایی بخش‌های گیرنده الکترون به طور مستقیم به زنجیره اصلی بَسپار دهنده از جدایی فاز جلوگیری می کند. الکترون هایی که به وسیله انتقالات تحریک‌شده ایجاد می‌شوند به وسیله جهیدن بین بخش‌های گیرنده آویزان، انتقال‌یافته و به حفره باقی مانده در زنجیره بَسپار اجازه انتقال بار مثبت را می دهند. کارایی چنین ابزارهایی کم است و این احتمالاً به دلیل باز ترکیبی سریع یا انتقال بار بین زنجیری غیرکارای آن باشد.
شماتیک بَسپارهای دوکابلی
یک سلول خورشیدی هیبریدی شامل ادغام دو ماده نیمه‌رسانای آلی و معدنی است. در واقع ادغامی از خواص منحصربه‌فرد نیمه‌رساناهای معدنی با خواص فیلم ساختی بَسپارهای مزدوج میباشد که شامل مواد آلی یا بَسپارهای مزدوج که نور را جذب و به عنوان الکترون دهنده و انتقال‌دهنده حفره عمل می کنند و مواد معدنی که در این نوع سلول ها به عنوان الکترون گیرنده و انتقال‌دهنده الکترون‌ها استفاده می شوند. راهکار موثر برای ساخت سلول‌های خورشیدی هیبریدی استفاده از مخلوط هایی از نانو ذره ها با بَسپارهای نیمه‌رسانا به صورت اتصالات ناهمگن تودهای است.
نحوه عملکرد سلول‌های خورشیدی بَسپاری
فرایند تبدیل نور به الکتریسیته به وسیله سلول خورشیدی آلی به طور شماتیک به صورت مراحل زیر توصیف می‌شود:
1) جذب فوتون که منجر به یک حالت نور تحریکی می شوn.
2) تولید یک جفت حفره - الکترون (اکسایتون)
3) جدایی بار بانفوذ اکسایتون به ناحیه هایی که در آن جا تفکیک می شود .
4) انتقال بار از درون نیمه هادی به الکترودهای مربوط.
به دلیل شکاف انرژی بالا در مواد آلی فقط بخش کوچکی از نور خورشیدی تابش شده جذب می شود. طول نفوذ اکسایتون باید از نظر بزرگی هم اندازه با طول جدایی فاز دهنده - گیرنده باشد. در غیر این صورت متلاشی شدن اکسایتون ها از طریق مسیرهای تابشی یا غیر تابشی قبل از رسیدن به سطح مشترک اتفاق میافتد. طول نفوذ اکسایتون ها در نیمه‌رساناهای آلی و بَسپارها معمولاً حدود 10 تا 20 نانومتر است. مخلوط کردن بَسپارهای مزدوج با الکترون گیرنده هایی مانند فولرن ها یک روش خیلی کارا جهت شکافتن اکسیتون های نور تحریکی به حامل های بار آزاد است. مطالعات نور فیزیکی نشان داده است که انتقال بار نور تحریکی در چنین مخلوط هایی خیلی سریع‌تر از فرایندهای آسایشی رقیب خواهد بود.
مکانیسم کار، برای سلول خورشیدی بَسپاری با اتصالات نامتقارن دهنده –گیرنده.
مکانیسم انتقال الکترون و حفره
از بین انواع متفاوت سلول‌های خورشیدی، سلول‌های خورشیدی آلی به دلیل مزایایی هم چون انعطاف‌پذیری، ارزان بودن و غیره توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند.از مهم‌ترین اجزا سلول‌های خورشیدی آلی مواد دهنده و گیرنده آن است که از مهم‌ترین مواد دهنده می‌توان به بَسپارهای هادی چون (MEH-PPV) و از مواد گیرنده به مشتقات فولرن اشاره کرد.
از بین روش‌های متفاوت اتصالات در سلول‌های خورشیدی روش اتصالات ناهمگن تودهای[Bulk Heterojunction] به دلیل افزایش سطح تماس‌گیرنده و دهنده و راحت تر شدن انتقال الکترون بهترین است. تلاش هایی که اخیراً انجام‌شده برای تهیه گیرنده های الکترونی است که تحرک الکترونی بالایی دارند می‌توانند به جای مشتقات فولرن که گران‌قیمت هستند، استفاده شوند.
اهمیت و مزایای استفاده از سلول‌های خورشیدی
-پاک و بدون آلودگی (حذف انتشار گازهای گلخانه‌ای از جمله دی اکسید کربن)
-انرژی بی‌پایان
-رایگان و در دسترس
-کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی
-امن و بی‌خطر
علل احتیاج به سلول خورشیدی
توسعه سلول های خورشیدی برای مقاصد زیر است:
1- احتیاج داشتن به منابع الکتریسیته مناسب برای مكان‌های دور از شبكة برق اصلی
2- پمپ كردن آب
3- فانوس برج‌ها
4- ماشین‌حساب‌ها و دوربین‌های عكاسی
5- احتیاج داشتن به توان تجدید شدنی و قابل‌حمل
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: مینا رزقی و شایان فروزنده دل
تنظیم: زینب شاه مرادی
