سلول خورشیدی اکسایتونی و کاربرد نانو در آن
این مقاله ضمن معرفی سلول‌های خورشیدی اکسایتونی و بیان ویژگی‌های آن، به تاثیراتی که نانوفناوری بر این نوع سلول‌های خورشیدی دارد، می‌پردازد. تاثیر اندازه ذرات بر میزان بارگذاری ماده جاذب نور، تاثیر اندازه ذرات بر تنظیم طیف جذبی نور و تاثیر نانوپوشش‌ها بر روی کاهش انتقال‌های مضر، در این مقاله مورد بررسی قرار می‌گیرد.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1. برتری‌های سلول خورشیدی اکسایتونی
2. معرفی سلول‌های خورشیدی اکسایتونی
3. تاثیر فناوری نانو در فوتوآند
4. تاثیر نانوفناوری بر حساس‌کننده
5. تاثیرات نانوفناوری بر بهبود جذب نور
6. کاهش انتقال‌های مضر
جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
1. برتری‌های سلول خورشیدی اکسایتونی
با توجه به مشکلات سوخت‌های فسیلی، انرژی خورشید به‌عنوان یک انرژی تجدپذیر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. برای مهار انرژی خورشید روش‌های گوناگونی وجود دارد که یکی از مهم‌ترین روش‌ها، استفاده از سلول‌های خورشیدی است. سلول‌های خورشیدی متداول سیلیکونی با وجود داشتن بازده و طول عمر بالا، هزینه ساخت بالایی دارند. سلول‌های خورشیدی اکسایتونی یکی از انواع سلول‌های مورد توجه محققین هستند که دارای قیمت به مراتب پایین‌تر از سلول‌های سیلیکونی و دارای ویژگی‌هایی همچون قابلیت انعطاف‌پذیری و قابلیت ساخت با امکانات ساده‌تر هستند. از این‌رو در این مقاله، به این نوع سلول‌های خورشیدی پرداخته خواهد شد.
2. معرفی سلول‌های خورشیدی اکسایتونی
در سلول‌های خورشیدی متداول، از سیلیکون هم برای جذب نور و تولید زوج الکترون-حفره (ehp)، و هم برای جدایی و انتقال الکترون و حفره استفاده می‌شود. به این ترتیب که بعد از برخورد فوتون‌های نور، به ازای هر فوتون (با انرژی بیشتر از گاف انرژی)، یک زوج الکترون-حفره تولید می‌شود که این زوج الکترون-حفره در اثر میدان داخلی موجود در ماده جدا شده (شکل 1) و به اتصالات مربوطه منتقل می‌شوند و به این طریق جریان الکتریکی در ماده القا می‌شود.
شکل 1 - نمایش جهت حرکت الکترون و حفره تولید شده در اثر برخورد فوتون
در سلول‌های خورشیدی اکسایتونی بر خلاف سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، وظیفه جذب نور بر عهده ماده‌ای به نام حساس‌کننده (Sensitizer)، و وظیفه انتقال حامل‌ها بر عهده موادی دیگر است. با برخورد فوتون نوری به حساس‌کننده، زوج الکترون و حفره تولید می‌شود و سپس الکترون تولید شده به ماده‌ای دیگر که نقش انتقال‌دهنده الکترون را دارد منتقل می‌شود، حفره تولید شده نیز به ماده‌ای دیگر که نقش انتقال‌دهنده حفره را دارد منتقل می‌شود.
شکل 2 نحوه تولید و انتقال حامل‌ها (الکترون و حفره) را نشان می‌دهد. در شکل الف مشخص است که با برخورد فوتونی با انرژی بیشتر از گاف انرژی حساس‌کننده به آن، الکترون از تراز ظرفیت به تراز هدایت منتقل می‌شود، بنابراین یک جای خالی از الکترون در نوار ظرفیت وجود خواهد داشت که آن را حفره می‌نامند؛ حفره خود یک حامل بار است. تراز هدایت حساس‌کننده، همان‌گونه که شکل‌های الف و ب نشان می‌دهد، بالاتر از تراز هدایت ماده انتقال‌دهنده الکترون است و از آنجاکه الکترون تمایل دارد انرژی خود را کاهش دهد، الکترون از تراز هدایت حساس‌کننده به تراز هدایت انتقال‌دهنده رفته و سپس از طریق آن منتقل می‌شود.
شکل 2 - نمایش انتقال الکترون و حفره به اجزای مربوطه در الف، و نمایش جایگاه ترازهای هدایت و ظرفیت برای انتقال الکترون در ب
حفره نیز همان‌گونه شکل ب نشان می‌دهد، از تراز ظرفیت به جزء انتقال‌دهنده حفره منتقل می‌شود. شرط انتقال حفره، بالاتر بودن تراز ظرفیت انتقال‌دهنده حفره، از تراز ظرفیت حساس‌کننده است. به طور دقیق‌تر، آنچه در واقعیت رخ می‌دهد پر کردن جای خالی الکترونی است که در تراز ظرفیت حساس‌کننده واقع شده است. ماده انتقال‌دهنده حفره، الکترون خود را به تراز ظرفیت حساس‌کننده منتقل می‌کند. با این وجود و برای سادگی، نبود الکترون، حفره در نظر گرفته می‌شود و اینگونه در نظر گرفته می‌شود که حفره از تراز ظرفیت حساس‌کننده به تراز ظرفیت انتقال‌دهنده حفره منتقل می‌شود. رفتار حفره را می‌توان درست مانند حرکت یک حباب آب دانست که به سمت بالا حرکت می‌کند و برای آن به‌طور مجازی، جرم منفی در نظر گرفته می‌شود.
در سلول‌های خورشیدی اکسایتونی غالباً انتقال الکترون توسط ماده‌ای مانند اکسید تیتانیوم یا اکسید روی صورت می‌گیرد که خیلی مواقع Electron Transport Layer (ETL) نامیده می‌شوند. انتقال حفره نیز غالبا توسط الکترولیت مایع یا جامد صورت می‌گیرد که به آن Hole Transport Layer (HTL) گویند. حساس‌کننده‌های قابل کاربرد در سلول‌های خورشیدی اکسایتونی را می‌توان به سه دسته رنگدانه‌ها، نقاط کوانتومی و پروسکایت تقسیم‌بندی کرد. بسته به نوع حساس‌کننده‌ای که در سلول خورشیدی استفاده شده است، نام سلول خورشیدی تغییر می‌کند. در صورت استفاده از رنگدانه نام سلول خورشیدی "حساس‌شده با رنگدانه (DSSC)" نامیده می‌شود و در صورت استفاده از نقاط کوانتومی، سلول حساس شده با نقاط کوانتومی (QDSSC) نامیده می‌شود. صر‌ف‌نظر از نوع حساس‌کننده، عملکرد سلول‌های خورشیدی اکسایتونی مشابه یکدیگر است.
شکل 3 - نمایش اجزا و نحوه عملکرد یک سلول خورشیدی رنگدانه‌ای
شکل 3 اجزا و نحوه عملکرد یک سلول خورشیدی اکسایتونی را نشان می‌دهد. برای اینکه انتقال الکترون و حفره صورت گیرد باید بین رنگدانه و انتقال‌دهنده الکترون (در اینجا اکسید تیتانیوم)، و بین رنگدانه و انتقال‌دهنده حفره (در اینجا الکترولیت) ارتباط برقرار باشد. بنابراین مطابق شکل 3 ، رنگدانه‌ها در محیط پیرامون ذرات اکسید تیتانیوم بارگذاری می‌شوند. با برخورد فوتون و تولید الکترون-حفره، الکترون مسیر آبی رنگ و حفره مسیر قرمز رنگ را طی می‌کند. به‌طور دقیق‌تر، می‌توان به جای در نظر گرفتن حفره، کل مسیر را حرکت الکترون بر طبق مسیر آبی در نظر گرفت که هیچ تفاوتی بین این دو وجود نخواهد داشت. الکترولیت ماده‌ای است که در اثر ورود و خروج الکترون دچار واکنش اکسایش-کاهش می‌شود. الکترود مقابل نقش کاتالیستی در تسریع واکنش‌ها دارد. به‌صورت متداول، از لایه نازکی از پلاتین به‌عنوان کاتالیست برای الکترود مقابل استفاده می‌شود. اما نانومواد گوناگونی برای استفاده در الکترود مقابل به جای پلاتین مطرح شده است.
همان‌گونه که شکل 3 نشان می‌دهد، نور باید از یک قسمت به نمونه بتابد. غالبا فوتون‌ها از سمت آند به سلول خورشیدی برخورد می‌کنند. از این‌رو به آند، فوتوآند گویند. برای اینکه هم نور بتواند از آند عبور کند و هم جریان الکتریکی از آند عبور کند، باید فوتوآند از رساناهای شفاف ساخته شده باشد. رساناهای شفافی مانند FTO و ITO برای این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد. به مجموعه رسانای شفاف، اکسیدتیتانیوم و رنگدانه، "فوتوآند" گویند.
3. تاثیر فناوری نانو در فوتوآند
برای بهبود بازده سلول خورشیدی اکسایتونی باید دو عملکرد تولید و جدایش الکترون-حفره در بیشترین حالت خود قرار داشته باشند. برای تولید هرچه بیشتر الکترون-حفره، باید میزان جذب نور توسط حساس‌کننده بهبود یابد. از آنجا که تابش نور در واحد سطح صورت می‌گیرد، داشتن بیشترین میزان جذب نور در واحد سطح ضروری است که دلالت بر این دارد که باید بیشترین میزان حساس‌کننده بر واحد سطح استفاده شود. از طرفی ضرورت دارد که برای انتقال الکترون، حساس‌کننده‌ها بر روی سطح ذرات اکسید تیتانیوم بارگذاری شوند. سه عامل نیاز به مقدار بالای حساس‌کننده، ضرورت اتصال بین دو جزء و وابستگی به سطح سریعا مشخص می‌کند که ضرورت دارد از نانوساختارهای اکسید تیتانیوم به جای میکروساختار آن برای انتقال الکترون استفاده شود. نانوساختارها بدلیل نسبت سطح به حجم بالا، قابلیت بارگذاری میزان بیشتری از حساس‌کننده‌ها را به ازای واحد حجم اکسید تیتانیوم و همچنین بارگذاری میزان بیشتری از از حساس‌کننده‌ها را به ازای واحد سطح تابشی دارا هستند. بنابراین نانوساختارهای اکسید تیتانیوم بازده بالاتری را فراهم می‌کنند.
شکل 4- نمایش نحوه بارگذاری نانوذرات اکسید تیتانیوم با حساس‌کننده و نحوه قرارگیری ذرات اکسید تیتانیوم بر روی همدیگر
انواع گوناگونی از نانوساختارهای اکسید تیتانیوم به عنوان انتقال‌دهنده الکترون مورد استفاده قرار می‌گیرند. به‌صورت معمول از نانوذرات اکسید تیتانیوم همانند شکل 4 استفاده می‌شود. نانوذرات اکسید تیتانیوم که با حساس‌کننده بارگذاری شده‌اند، بر روی یکدیگر یک لایه را می‌سازند. ضخامت این لایه هرچه بیشتر باشد، چون مقدار بیشتری از حساس‌کننده در واحد سطح تابشی وجود خواهد داشت، جذب نور خورشید به ازای واحد سطح بهبود خواهد یافت. همان‌گونه که قسمت الف شکل 5 نشان می‌دهد، بدلیل تماس ضعیف فیزیکی بین نانوذرات اکسید تیتانیوم، و وجود مسیر مارپیچی که برای حرکت الکترون در سلول خورشیدی وجود دارد، سیستم مقدار مقاومت الکتریکی بالایی را خواهد داشت که با افزایش ضخامت لایه اکسید تیتانیوم این مقاومت افزایش می‌یابد. از این‌رو ضخامت لایه اکسید تیتانیوم باید در حد بهینه‌ای قرار گیرد.
شکل 5- نمایش نحوه انتقال الکترون در نانوذرات اکسید تیتانیوم و در نانوسیم‌های اکسید تیتانیوم
با توجه به شکل 5 ، نانوسیم‌ها در مقایسه با نانوذرات، بدلیل یکپارچگی، مقاومت الکتریکی کمتری دارند. با این وجود نانوسیم‌ها چون سطح به حجم کمتری در مقایسه با نانوذرات دارند (در ابعاد نانومتری یکسان) این موضوع موجب می‌شود که در یک ضخامت برابر، میزان بارگذاری حساس‌کننده‌ها در نانوذرات بیشتر از نانوسیم‌ها باشد. برای داشتن مزایای هر دو روش (یعنی مزیت سطح بالاتر در نانوذرات و مزیت مقاومت الکتریکی کمتر در نانوسیم‌ها) استفاده از ساختارهای سه‌بعدی مورد توجه قرار گرفته است. شکل 6 تعدادی از نانوساختارهای سه‌بعدی را نشان می‌دهد. این ساختارها هر دو مزیت سطح بالاتر و انتقال الکترونی خوب را دارا هستند.
شکل 6- شماتیک و تصویر میکروسکوپی تعدادی از نانوساختارهای سه‌بعدی
به‌دلیل قیمت بالا و عدم انعطاف‌پذیری رساناهای شفاف متداول، پیدا کردن جایگزین برای رساناهای شفاف مورد توجه محققان نانوفناوری قرار گرفته است. انواع گوناگونی از نانومواد برای رسانای شفاف مطرح شده است. به طور مثال گرافن، از رسانایی عالی و بدلیل ضخامت کم از شفافیت و انعطاف‌پذیری برخوردار است و به این دلایل به عنوان جایگزین رساناهای شفاف فعلی مطرح شده است.
4. تاثیر نانوفناوری بر حساس‌کننده
نقاط کوانتومی یکی از حساس‌کننده‌های مطرح برای استفاده در سلول‌های خورشیدی اکسایتونی هستند. نقاط کوانتومی دارای ویژگی‌هایی همچون قابلیت تنظیم گاف انرژی و تولید چند جفت الکترون-حفره به ازای برخورد یک فوتون (پدیده MEG) هستند. در شکل 7 مشاهده می‌شود که وقتی ابعاد کاهش می‌یابد، گاف انرژی بیشتر می‌شود و بنابراین ناحیه جذب در نقطه کوانتومی تغییر می‌کند.
شکل 7- نمایش تغییر گاف انرژی و پیروی ناحیه جذب نقاط کوانتومی با تغییر اندازه ذرات
با توجه به اینکه نور خورشید از طیف گوناگونی تشکیل شده است، با تنظیم گاف انرژی می‌توان سلول خورشیدی را برای طول موج مورد نظر بهینه کرد. یکی دیگر از خواص جالب نقاط کوانتومی به عنوان حساس‌کننده، امکان تولید بیش از یک جفت الکترون-حفره به ازای برخورد یک تک فوتون است. با وجود این خواص جالب، بازده سلول‌های خورشیدی نقاط کوانتومی پایین‌تر از سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای است. یک علت مهم آن مراکز بازترکیب سطحی در اینگونه مواد است که همانند شکل 8 ، موجب تشکیل ترازهای میانی در بین نوار هدایت و ظرفیت ایجاد می‌شود که این ترازهای میانی موجب می‌شوند الکترون و حفره قبل از اینکه به اکسید تیتانیوم و الکترولیت منتقل شوند، دچار بازترکیب شوند. برای حل این مشکل تحقیقات فراوانی توسط پژوهشگران مختلف در حال انجام است که یکی از آنها استفاده از ساختارهای هسته-پوسته است.
شکل 8 - تشکیل سطوح انرژی لازم برای بازترکیب در میانه ترازهای انرژی هدایت و ظرفیت
5. تاثیرات نانوفناوری بر بهبود جذب نور
بهبود میزان جذب نور یکی از ضرورت‌های افزایش بازده سلول‌های خورشیدی است. با توجه به محدودیت‌هایی که برای افزایش ضخامت اینگونه سلول‌های خورشیدی وجود دارد باید از راهکارهای دیگری برای افزایش جذب نور استفاده کرد. افزایش مسافت طی شده توسط نور می‌تواند میزان جذب نور را بهبود دهد. با افزایش پراکندگی نور توسط یک لایه پراکنده‌کننده میزان مسافت طی شده توسط نور بیشتر شده که نتیجه آن افزایش بازده سلول‌های خورشیدی است. شکل 9 روش افزایش پراکندگی نور با کمک یک لایه پراکنده‌کننده را نشان می‌دهد. این لایه با پراکندگی نور موجب می‌شود، اکثریت فوتون‌های نور قبل از اینکه از نمونه خارج شوند، جذب شوند.
شکل 9 - افزایش پراکندگی نور با یک لایه پراکنده‌کننده و در نتیجه جذب بیشتر نور
یکی دیگر از راهکارها برای افزایش جذب نور، استفاده از نانوذرات طلا و نقره است که با داشتن خاصیت پلاسمونیک می‌توانند میزان جذب نور را افزایش دهند.
6. کاهش انتقال‌های مضر
وجود انتقال‌های مضر برای حامل‌ها (چه الکترون و چه حفره) یکی از مشکلاتی است که در تمامی انواع سلول‌های خورشیدی اکسایتونی، بازده را کاهش می‌دهد. شکل 10 انتقالات مضر را با خط‌چین نمایش داده است. با توجه به شکل، یکی از انتقالات مضر، انتقال الکترون از اکسید تیتانیوم به الکترولیت است. با جلوگیری از ارتباط بین الکترولیت و اکسید تیتانیوم، این انتقال مضر کاهش می‌یابد. برای این منظور استفاده از نانوپوشش‌ها مطرح شده است که با ایجاد یک پوشش نازک بر روی اکسید تیتانیوم از تماس آن با الکترولیت جلوگیری می‌کند.
شکل 10- نمایش انتقال‌های مضر در سلول‌های خورشیدی اکسایتونی با خط‌چین
جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
در این مقاله نحوه عملکرد سلول‌های خورشیدی اکسایتونی مشخص شد. اثراتی که نانوفناوری در بهبود میزان جذب با کمک افزایش بارگذاری و تنظیم گاف انرژی ایجاد می‌کند مشخص شد. اثرات نانوپوشش‌ها بر روی کاهش انتقال‌های مضر شرح داده شد.
منابـــع و مراجــــع
۱ - Hagfeldt, Anders, et al. "Dye-sensitized solar cells." Chemical reviews 110.11 (2010): 6595-6663.
۲ - Nozik, A. J. "Quantum dot solar cells." Physica E: Low-dimensional SystemsNanostructures 14.1 (2002): 115-120.
۳ - Semonin, Octavi E., Joseph M. Luther,Matthew C. Beard. "Quantum dots for next-generation photovoltaics." Materials Today 15.11 (2012): 508-515.
۴ - Kouhnavard, M., et al. "A review of semiconductor materials as sensitizers for quantum dot-sensitized solar cells." RenewableSustainable Energy Reviews 37 (2014): 397-407.
۵ - Arjunan, a) TV,T. S. Senthil. "Review: dye sensitised solar cells." Materials Technology 28.1-2 (2013): 9-14.
