• تعداد بازديد :
  • شنبه 1396/10/23 ساعت 09:39
  • تاريخ :

سلول خورشیدی - جلسه دوم

جدیدترین گروه سلو ل‌های خورشیدی شامل مولکول‌ های کوچک، اجزاء بَسپاری و هیبرید آلی/معدنی می باشند.

 اهداف جلسه:
· آشنایی با سلول های خورشیدی آلی

وسایل مورد نیاز:
· دسترسی به اینترنت

سلول‌های خورشیدی بر پایه نیمه‌رساناهای آلی
جدیدترین گروه سلول‌های خورشیدی شامل مولکول‌های کوچک، اجزاء بَسپاری و هیبرید آلی/معدنی می­باشند. با وجود مقدار کارایی کم به دست آمده (% 5.15 =انرژیηe)( ηe: = تبدیل انرژی) و مشکلات پایداری، این نوع از سلول‌های خورشیدی مزیت ­های متعددی از قبیل فراوری آسان، انعطاف­ پذیری، سبک‌وزنی و هزینه ساخت کم را دارا می­باشند.

انواعی از سلول‌های خورشیدی مبتنی بر مواد آلی شامل:
· سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ
· سلول‌های خورشیدی بَسپاری
· سلول‌های خورشیدی مبتنی بر بلورهای مایع[Liquid Crystals] می­باشند.                            
سلول خورشیدی - جلسه دوم
 (الف) شمای سلول خورشیدی حساس شده با رنگ، (ب) ساختار ایده آل ابزار خورشیدی پایه بلور مایع

از ویژگی‌های بارز سلول‌های خورشیدی می ­توان به مواردی مانند: هزینه کم، وزن سبک و ساخت راحت اشاره نمود. اما آنچه بر اهمیت آن‌ها می­افزاید، قابلیت حل شدن مواد مورد استفاده در حلال­ های آلی می­باشد که تهیه سلول‌های خورشیدی انعطاف­ پذیری را امکان­پذیر می ­سازد.

مقایسه سلول‌های فتوولتایی آلی و معدنی
فناوری فتوولتایی باید پایدار، کارا و کم­هزینه باشد. سلول فتوولتایی سیلیکون بلوری خیلی پایدار و طول عمر موثر تخمینی بالغ بر 25 سال و کارایی تبدیل انرژی 20% را دارد. با این حال سلول فتوولتایی بَسپاری در این زمینه ارزش و قابلیت خود را در مقایسه با سلول‌های سیلیکونی به خوبی نشان داده و در جایی که فناوری فتوولتایی معدنی عملکرد موفقی به همراه نداشته است(مانند: هزینه زیاد، ناسازگاری با محیط‌زیست و تهیه­ی دشوار) به عنوان فن آوری مکمل مناسب برای سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مورد استفاده قرار می­ گیرد. این در حالی است که سلول‌های فتوولتایی آلی پایداری و بازده کمی را از خود نشان می­دهند(جدول 1).

جدول1: مقایسه سلول‌های فتوولتایی آلی و معدنی
سلول خورشیدی - جلسه دوم

اجزای سلول‌های خورشیدی آلی
اجزاء معمول تشکیل­ دهنده سلول‌های خورشیدی آلی در شکل زیر آمده است:
1. شیشه
2. ماده شفاف رسانا مثل ([1]ITO)
3. بَسپار شفاف هادی مثل PEDOT:PSS
4. لایه فعال
5. لایه متصل‌کننده
6. فلز       

                   
اجزای سلول‌های خورشیدی آلی
سلول خورشیدی - جلسه دوم
بَسپارهای مزدوج زیادی به عنوان ماده فعال برای سلول‌های خورشیدی مورد امتحان قرار گرفتند. اما رایج‌ترین بَسپارهای مزدوج آلی عبارت‌اند از: پلی (3- هگزیل تیوفن) (P3HT)، پلی( ۳-متوکسی- ۵- (2-اتیل­هگزیل اکسی)-1و4-فنیلن وینیلن) (MEH-PPV) و پلی(2-متوکسی-۵(3و7- دی متیل اکتیل اکسی)-1و4 فنیلن وینیلن) (MDMO-PPV) که دارای یک هسته پلی فنیلن وینیلن (PPV) مزدوج هستند. PPV به تنهایی ماده نامحلولی است و افزایش گروه ­های آلکیل یا آلکوکسی روی حلقه فنیلن در MDMO-PPV وMEH-PPV این مواد را فرایند پذیر و محلول در بعضی از حلال­ های آلی از قبیل کلروفرم،کلروبنزن یا ۱و ۲-دی کلروبنزن می  کند.

بسپارهای مزدوج رایج به‌کاررفته در سلول‌های خورشیدی
سلول خورشیدی - جلسه دوم

مواد پلی تیوفنی دیگر که به طور وسیعی در سلول‌های خورشیدی آلی استفاده می­شوند شامل PEDOT:PSS یا پلی( ۳و ۴-اتیلن اکسی تیوفن)(پلی استیرن سولفونات) است. یک لایه نازک از PEDOT:PSS معمولاً به عنوان مواد هادی حفره به طور مستقیم بالای الکترود (ITO) به‌کاربرده می‌شود. نمونه ­هایی از پلی تیوفن­ ها که در سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شوند در شکل زیر نمایش داده‌شده است.

مواد پلی تیوفنی به‌کاررفته در سلول‌های خورشیدی
سلول خورشیدی - جلسه دوم
2-3-5-3-1 بَسپارهای هادی
ایده استفاده از بَسپارها به جهت خواص رسانایی الکتریکی‌شان در سال ۱۹۷۷ با یافته هیگر[Hegger]، مک دی آرمید[Mcdiarmid] و شیراکاوا[Shirakawa] با کشف اینکه پلی استیلن ترانس دوپه شده[Dopped] (ناخالصی­ های اُکسایشی پذیرنده الکترون یا دهنده الکترون که به بَسپار افزوده‌شده و باعث رسانا شدن آن‌ها می­شوند)، رسانایی فلزی از خود نشان می‌دهد پدیدار شد. از آن موقع به بعد بَسپارهای رسانا به عنوان مواد جدیدی که خواص الکتریکی فلزات یا نیمه‌رساناها را با حفظ کردن خواص سودمند بَسپار نشان می­ دهند معرفی شدند.
مطالعات اخیر مشخص کرد که بزرگی شکاف انرژی و موقعیت لبه‌های نوار رسانش و ظرفیت عامل‌های مهمی در کنترل خواص رسانایی بَسپار دارد.

2-3-5-4 تئوری نوار[Band Theory]
بَسپارهای رسانا از نظر میزان رسانایی­شان در دسته نیمه‌رساناها قرار می­گیرند. بر طبق تئوری نوار، یک فلز دارای شکاف انرژی صفر است چون نوار رسانش و ظرفیت باهم هم پوشانی کرده و یک نوار تشکیل می­دهند و حرکت حامل­ های بار (الکترون‌ها) به طور آزادانه در نوارهای جزئی پرشده منجر به رسانایی فلز می­شود. از سوی دیگر انتقال الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش به خاطر شکاف انرژی بالا، برای عایق­ ها امکان‌پذیر نیست. در یک نیمه‌رسانا یک نوار ظرفیت پرشده و یک نوار رسانش خالی به وسیله شکاف انرژی از هم جدا می­ شوند که در آنجا سطوح انرژی وجود ندارند. نوار رسانش نیمه‌رساناها به میزان کمی به وسیله الکترون‌های تحریک‌شده از طریق گرمایی یا فتو­شیمیایی در دمای محیط اشغال می­شود و این برانگیختگی حامل ­های بار، برای جریان بار الکتریکی در نیمه‌رساناها در دسترس خواهد بود.

مقایسه شکاف انرژی بین عایق­ ها، نیمه‌رساناها و فلزات
سلول خورشیدی - جلسه دوم
2-3-5-4-1 بَسپارهای با شکاف کوچک
شکاف انرژی بَسپار(Eg ) که تفاوت انرژی بین LUMO و HOMO است توسط عوامل متفاوتی کنترل می‌شود. بَسپارهای با شکاف کوچک، بَسپارهایی تعریف می­ شوند که جذب نور با طول موج بالای 600 نانومتر  را داشته باشند. بَسپارهای تجاری استفاده‌شده در سلول‌های فتوولتایی آلی از قبیل MEH-PPV دارای جذبی است که تا طول موج 550 نانومتر قابل ­سترش است و P3HT که به طور معمول استفاده می­شود دارای جذبی است که تا 650 نانومتر گسترش می­یابد. اگر از یک بَسپار با شکاف انرژی پایین استفاده شود این عدم تطابق طیفی تقلیل می­یابد که نشان از هم پوشانی بهتر با طیف نشری خورشید دارد. به منظور به دست آوردن سلول خورشیدی با کارایی بالا یافتن مواد دهنده که محدوده جذب نوری و همپوشانی بهتر با نور خورشید دارند(دارای شکاف انرژی پایین) ضروری می ­باشد. شکاف انرژی می‌تواند عملاً برای تعیین انرژی که می‌توان از سلول به دست آورد استفاده شود.

2-3-5-4-2 طراحی بَسپارهای با شکاف انرژی کوچک
همان طورکه گفته شد عامل‌های متعددی روی شکاف انرژی بَسپارها موثر است برای مثال طول مزدوج شدگی، تناوب طول پیوند، انتقال بار درون زنجیری، برهم کنش ­های بین مولکولی، آروماتیسیته و استخلاف ­ها. یک ادغام از بخش‌های غنی از الکترون (دهنده) و دارای کمبود الکترون (گیرنده) در زنجیر بَسپار، روش خیلی موفق جهت سنتز بَسپارهای با شکاف انرژی پایین می­باشد. این تناوب در زنجیر اصلی بَسپار منجر به انتقال بار درون مولکولی از دهنده به گیرنده شده و نوار جذبی در انرژی کمتر را منجر می­شود. منطق پشت مفهوم دهنده- گیرنده-دهنده این است که HOMO بالای دهنده و LUMO پایین گیرنده در بَسپار حاصل، ادغام می­شوند و بنابراین در ساختار الکترونیکی بَسپار خصلت پیوند دوگانه افزایش و منجر به گسترش نوارهای رسانش و هدایت و القاء شکاف انرژی پایین می‌شوند.

2-3-5-5 رسانایی در مواد آلی  π - مزدوج
مکانیسم رسانایی در بَسپارهای مزدوج بر پایه وجود حامل‌های بار مثبت یا منفی و حرکت این حامل­ های بار در طول زنجیر اصلی زنجیر بَسپار است. حامل‌های بار مثبت یا منفی از طریق فرایند اُکسایش یا کاهش در زنجیر اصلی بَسپار ایجاد می­شوند.

2-3-5-5-1 مواد گیرنده [Acceptor]
گیرنده­ها یا پذیرنده ­های الکترون می­توانند بَسپار یا مولکولی کوچک باشند. مواد گیرنده الکترون با الکترون‌خواهی بالا  و شامل C60 و مشتقات محلول آن می ­باشند. فولرن ­ها به دلیل الکترون‌خواهی بالا و توانایی انتقال کارای بار، گیرنده­ های پرکاربردی هستند و در واقع بهترین گیرنده­های الکترونی که تاکنون شناخته‌شده‌اند می­ باشند. مشتقات فولرن با حلالیت خوب برای این منظور استفاده می ­شوند و PCBM یک مشتق متانوفولرن با حلالیت بالاست (۶و۶)- ( فنیل-C61- بوتریک اسید متیل استر). هم چنین قابل‌ذکر است که افزایش گیرندگی الکترون در فولرن، بهبودی بیشتری را در کارایی ابزار حاصل می­ کند.


تعدادی از گیرنده‌های رایج (الف)گیرنده بَسپاری (ب)گیرنده مولکولی کوچک

سلول خورشیدی - جلسه دوم


بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: شایان فروزنده دل - تنظیم: زینب شاه مرادی

وبگردی

UserName