نانوساختارهای اکسید روی در ساخت سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به جای نانوذرات اکسید روی به‌وسیله‌ی پژوهشگران دانشگاه تهران به کار گرفته شد.
افزایش بازده سلول‌های خورشیدی با استفاده از نانوساختارها
نانوساختارهای اکسید روی در ساخت سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به جای نانوذرات اکسید روی به‌وسیله‌ی پژوهشگران دانشگاه تهران به کار گرفته شد. این نانوساختارها به دلیل داشتن تحرک بالاتر، باعث افزایش بازده در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای بر پایه این نانوساختارها می‌شود.
برای ساخت سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به طور معمول از نانوذرات اکسید تیتانیم استفاده می‌شود به دلیل اینکه گاف انرژی این ماده ev ۳/۳ است و بسیار مناسب برای ساخت سلول خورشیدی رنگدانه‌ای است. زمانی که مولکول رنگ برانگیخته می‌شود، یک الکترون ایجاد می‌کند که این الکترون به داخل شبکه‌ای از نانوذرات TiO2 تزریق می‌شود. این الکترون در کل این لایه TiO2 با پریدن از یک ذره به ذره دیگر باید خود را به الکترود که همان لایه شفاف و رسانای اکسید قلع آلاینده شده با قلع یا ایندیم است برساند و در آن جمع شود و جریان ایجاد کند ولیکن به دلیل حرکت الکترون در بین نانوذرات ممکن است در بین مسیر بازترکیب شود که این بازترکیب می‌تواند با خود رنگ، الکترولیت یا TiO2 صورت بگیرد. زمانی که شبکه‌ای از نانوذرات وجود دارد احتمال باز ترکیب الکترون بسیار زیاد است به همین دلیل برای اینکه افت بازده سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای کمترشود از نانوسیم‌ها به عنوان جایگزین مناسب برای نانوذرات استفاده شده است. در این نوع سلول‌های خورشیدی امکان بازترکیب به دلیل حرکت الکترون از شبکه نانوذرات وجود ندارد زیرا الکترون‌های ایجاد شده در یک مسیر مستقیم از نقطهای که تزریق می‌شود به الکترود می‌رسد. درک از انتقال الکترون و مکانیزم بازترکیب در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای برپایه نانوسیم‌ها یکی از مراحل کلیدی در بهبود بازده سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای است. در این بین اکسید روی به علت برخورداری از ویژگی‌هایی مانند انرژی بستگی اکسایتونی بزرگ (ev۶۰~) و گاف انرژی مشابه با TiO2، فراوانی ذخایر و سادگی فناوری رشد، که هزینه تولید قطعات ساخته شده از آن را کاهش می‌دهد، بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
در این پژوهش به ساخت، طراحی و مشخصه‌یابی سلول‌های خورشیدی بر پایه نانوساختارهای اکسید روی حساس شده با رنگدانه پرداخته شده است. این سلول‌های خورشیدی از یک آند و کاتد تشکیل شده‌اند که در این تحقیق ساختار آند آنها مورد بررسی قرار گرفته و شرایط بهینه تعیین گردید. این نانوساختارها می‌توانند جایگزین خوبی برای نانوذرات باشند.
فاطمه دهقان نیری دانشجوی دکتری مهندسی برق-نانوالکترونیک دانشگاه تهران در مورد نحوه رشد دادن نانوسیم در این تحقیقات گفت: «رشد نانوسیم‌های اکسید روی با استفاده از روش رسوب حمام شیمیایی انجام شده که روشی آسان، کم هزینه و قابل تکرار و انجام در مقیاس بزرگ بوده است. مکانیزم رشد نانوسیم‌های اکسید روی عمودی روی لایه‌های جوانه زنی متفاوت با ضخامت یکسان در تصویر نشان داده شده است. ما می‌دانیم که ویژگی‌ها و ضخامت لایه جوانه زنی، بر رشد نانوسیم‌های اکسید روی اثر می‌گذارد. لایه‌های جوانه زنی ZnO با مشخصات کریستالی ضعیف، نانوسیم‌هایی عمودی ولیکن با همترازی کمتری ایجاد می‌کند.»
استفاده از نانو ساختارهای اکسید روی به جای نانوذرات اکسید روی در ساخت سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به دلیل داشتن تحرک بالاتر، باعث افزایش بازده در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای بر پایه این نانو ساختارها می‌شود. برای ساخت سلول خورشیدی از دو لایه جوانه زنی مختلف ZnO و AZO بهره گرفته شد. دهقان نیری در مورد نتایج مقایسه‌ای این دو گفت: «چگالی الکترون، ns سلول‌های ساخته شده بر لایه جوانه زنی AZO چهار برابر بزرگتر از سلول‌های خورشیدی ساخته شده بر ZnO است. ثابت نرخ باز ترکیب سلول‌های ساخته شده بر پایه AZO کوچکتر از ZnO است. ضریب دیفیوژن سلول‌های بر پایه AZO، ۵ برابر بزرگتر از سلول‌های ساخته شده بر پایه ZnO است که این تأییدی بر نرخ بالاتر تزریق الکترون از رنگدانه جذب شده به فتوآند سلول است.»
دهقان در ادامه افزود: «پتانسیل شیمیایی سلول‌های ساخته شده با ZnO بسیار کوچکتر از AZO است. کاهش پتانسیل شیمیایی در سلول‌های ساخته شده بر روی لایه جوانه‌زنی ZnO بیانگر جابه‌جا شدن نوار هدایت به سمت بالا در این ساختارها است. از طرفی ولتاژ مدار باز در سلول‌های ZnO بیشتر از سلول‌های AZO است که این تأییدی بر جابه‌جایی نوار هدایت در این ساختارها است. ساختار AZO به دلیل آلایش ZnO با آلومینیوم هدایت الکتریکی بیشتری نسبت به ZnO دارد. با توجه به اختلاف مورفولوژی و خواص الکتریکی در این لایه‌های جوانه‌زنی، خازن‌ها و مقاومت‌هایی که در فصل مشترک بین الکترود و لایه جوانه‌زنی ایجاد می‌شود، متفاوت است که تفاوت‌ها و مقادیر آنها را با استفاده از آنالیز امپدانس الکتروشیمیایی به‌دست آوردیم و در مورد نتایج بحث کردیم. در نتیجه لایه جوانه زنی تأثیر زیادی بر روی انتقال و یا باز ترکیب الکترون در سلول خورشیدی دارد. با توجه به نتایج به‌دست آمده زمان انتقال الکترون مربوط به نانوسیم‌های اکسید روی که بر روی لایه جوانه زنی AZO رشد کرده‌اند یک مرتبه بزرگتر از لایه جوانه زنی ZnO است ولیکن زمان بازترکیب الکترون کمتر از ۱٫۵ برابر افزایش داشته است.عدم تغییر زمان بازترکیب الکترون با لایه‌های جوانه زنی مختلف نشاندهنده آن است که نوع لایه جوانه زنی بر روی توزیع تله‌های بر روی نانوسیم‌های اکسید روی تأثیر زیادی ندارد.»
نتایج این کار تحقیقاتی که به دست خانم فاطمه دهقان نیری، دانشجوی دکتری مهندسی برق-نانوالکترونیک دانشگاه تهران و آقای دکتر ابراهیم اصل سلیمانی، عضو هیئت علمی دانشگاه تهران صورت گرفته است، در مجله Renewable Energy (جلد ۶۰، دسامبر ۲۰۱۳) منتشر شده است. علاقمندان می‌توانند متن کامل مقاله را در صفحات ۲۴۶ الی ۲۵۵ همین شماره مشاهده نمایند.
