سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای انتقال الکترون را کنترل می‌کنند

محققان دانشگاه صنعتی شریف با همکاری دانشگاه کمبریج انگلستان به ساخت موفقیت‌آمیز سلول‌های خورشیدی ‏رنگدانه‌ای ‏دی‌اکسید تیتانیوم (‏DSSCs‏) دست یافتند. ‏

محققان دانشگاه صنعتی شریف با همکاری دانشگاه کمبریج انگلستان به ساخت موفقیت‌آمیز سلول‌های خورشیدی ‏رنگدانه‌ای ‏دی‌اکسید تیتانیوم (‏DSSCs‏) دست یافتند. این سلول‌های خورشیدی در قالب فیلم دو لایه با ساختار ‏کریستالی متفاوت و ‏مورفولوژی‌های مختلف از نانوساختارهای دیاکسید تیتانیوم تولید شدند.‏

امروزه، پژوهش‌های بسیاری در زمینه سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای دی‌اکسید تیتانیوم با توجه به هزینه کم، آنها در ‏مقایسه با ‏سیستم‌های فتوولتائیک اتصال ‏P-N، صورت می‌گیرد. همچنین مواد اولیه ساخت آنها به میزان فراوان در ‏دسترس هستند؛ در ‏نتیجه بدون نگرانی درباره مسائل مربوط به مواد اولیه می‌توان این سلول‌ها را به میزان زیاد تهیه نمود. ‏از طرفی بازده قدرت ‏آنها با به کارگیری نانوذرات و نانوسیم‌ها در فرایند تولید می‌تواند افزایش یابد.‏

هنگامی که یک سلول خورسیدی حساس به رنگ تحت تابش نور خورشید قرار می‌گیرد، مولکول‌های رنگ، الکترون‌ها ‏را در ‏شکاف نوار اکسید تیتانیوم و حفره‌های موجود در الکترولیت تزریق می‌کند. به منظور رسیدن به بازده بالای تبدیل در ‏سلول‌های ‏خورشیدی، مهم است که حامل‌های بار تولید شده از فوتون‌ها، قبل از اینکه دوباره ترکیب شوند، به عنوان ‏جریان الکتریکی ‏جمع‌آوری شوند. برای دستیابی به این هدف، باید جمع‌آوری حامل بار به میزان قابل توجهی سریعتر ‏ازترکیب مجدد باشد. یک راه ‏حل امیدوار‌کننده برای این منظور این است که طول انتشار الکترون در الکترود فتوآند تهیه ‏شده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم با ‏نانوساختارهای یک بعدی آن افزایش یابد. به طور کلی، تحرک الکترونی بالا، قدرت ‏تفکیک عالی الکترون حفره و توانایی انتقال ‏در مسافت‌های طولانی از مزایای منحصربه‌فرد دی‌اکسید تیتانیوم یک بعدی ‏در مقایسه با دیگر موفولوژی‌های آن شناخته شده ‏است.‏

از آنجا که مورفولوژی، ساختار کریستالی و فاصله باند انرژی نوری از عوامل موثر بر فیلم دی‎ ‎اکسید تیتانیوم، در نرخ ‏انتقال ‏الکترون و فرایندترکیب مجدد ‏DSSCs‏‌های دو لایه است؛ این پژوهشگران به مطالعه سیستماتیک سلول‌های ‏خورشیدی رنگدانه‌ای ‏دی‌اکسید تیتانیوم با ساختارهای فیلم تک لایه و دو لایه با مورفولوژی‌های مختلف (نانوذرات و ‏نانوسیم‌ها) و فازهای کریستالی ‏متفاوت آناتاز (‏anatase‏) و روتیل (‏rutile‏) پرداختند. آنها همچنین، با اندازه‌گیری ‏مقاومت داخلی سلول‌ها، طول عمر الکترون و ‏زمان انتقال الکترون بهبود مکانیزم آنها را به کمک طیف سنجی امپدانس ‏الکتروشیمیایی (‏EIS‏) مورد مطالعه قرار دادند.‏

در ادامه، ویژگی‌های فتوولتائیک سلول‌های خورشیدی دو لایه با فیلم تک لایه ساخته شده از نانوذرات و نانوسیم‌های ‏خالص ‏دی‌اکسیدتیتانیوم مورد مقایسه قرار گرفت. در انتها، خواص نوری و انرژی شکاف باند نانوذرات و نانوسیم‌ها از طریق ‏جذب ‏‏UV-VIS‏ بررسی شد.‏

نتایج نشان داد سلول‌های خورشیدی دو لایه، فاکتور انباشتگی (‏fill factor‏) بالاتری نسبت به سلول‌های تک لایه ‏با همان ساختار ‏بلوری را دارد. علاوه‌بر این، هر دو سلول خورشیدی تک لایه و دو لایه ساخته شده از دی‌اکسیدتیتانیوم با ‏ساختارکریستالی آناتاز ‏فاکتور انباشتگی و بازده تبدیل قدرت بالاتری نسبت به سلول متشکل از ساختارکریستالی روتیل ‏نشان دادند.‏
سلول خورشیدی دو لایه ساخته شده از نانوذرات آناتاز به عنوان لایه زیرین و نانوسیم‌های آناتاز به عنوان لایه بالائی ‏بالاترین ‏بازده قدرت تبدیل را در میان همه سلول‌های خورشیدی تک لایه و دولایه ساخته شده نشان داد. عملکرد ‏فوتوالکتریک بهبود یافته ‏این سلول خورشیدی دارای مشخصه‌های طول عمر بالای الکترون، انتقال سریع، ترکیب مجدد ‏کمتر، پراکندگی نور بهتر و جذب ‏رنگ خوب بودند.‏

نتایج این پژوهش که به‌وسیله‌ی آقایان مهندس امیر محمود بخشایش (فارغ التحصیل کارشناسی ارشد مهندسی مواد ‏دانشگاه صنعتی ‏شریف) و دکتر محمدرضا محمدی (عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی شریف) صورت گرفته است در ‏مجلهElectrochimica ‎Acta‏ (جلد ۷۸، ماه سپتامبر سال ۲۰۱۲) به چاپ رسیده است. علاقمندان می‌توانند متن ‏کامل مقاله را در صفحات ۳۸۴ تا ۳۹۱ ‏همین شماره مطالعه نمایند.‏