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