دانشگاه تهران: افزایش بازده سلول‌های خورشیدی به کمک نانولوله‌های کربنی

سلول‌های خورشیدی حساس شونده به رنگدانه و نقاط کوانتومی، دو گونه از فناوری‌های مورد استفاده در تأمین نیاز بشر به انرژی است. در سلول‌های خورشیدی حساس شونده به رنگدانه، بازه جذب محدود بوده و ضریب جذب رنگدانه و طول عمر حامل‌ها پایین است. لذا به نظر می رسد که روند افزایش بازدهی در این سلول‌ها به اشباع رسیده است. برای حل این معضل، سلول‌های خورشیدی مبتنی بر نقاط کوانتمی با محدوده‌ی جذب قابل تنظیم و ضریب جذب بالا مطرح شده‌اند. حال آن‌که طول عمر کم حامل‌ها در این نوع سلول‌ها نیز مشکلات زیادی به همراه دارد.
دکتر محمدرضا گل و بستان فرد، در خصوص تحقیقات صورت گرفته عنوان کرد: «هدف این طرح بهبود انتقال الکترون در سلول‌های خورشیدی به منظور افزایش بازدهی آن بوده است. بدین منظور نانولوله‌های کربنی با قطرهای مختلف در دو نوع سلول خورشیدی نانو ساختار حساس شونده با رنگدانه و نقاط کوانتمی وارد شده و عملکرد این دو نوع سلول مورد بررسی قرار گرفته است.»
این طرح منجر به مشخص‌تر شدن عملکرد این دو نوع سلول و بارزتر شدن تفاوت‌های آن‌ها شده است. بر اساس نتایج مشخص شده که افزودن نانولوله‌های کربنی در هر دو نوع سلول، افزایش بازدهی را در پی دارد. با این حال بهبود بازدهی در سلول‌های خورشیدی حساس شونده با نقاط کوانتمی بسیار چشمگیرتر است.
این محقق در ادامه به تفاوت دو نوع سلول خورشیدی بررسی شده اشاره کرد و افزود: «ساختار سلول‌های خورشیدی حساس شونده با رنگدانه و نقاط کوانتمی به ظاهر بسیار شبیه یکدیگر است. اما در واقع شرایط عملکرد کاملاً متفاوتی دارند. با اینکه سلول‌های خورشیدی بر پایه‌ی رنگدانه، بازدهی بیشتری از سلول‌های خورشیدی بر پایه‌ی نقاط کوانتمی دارند، اما با افزودن نانولوله‌های کربنی بیش از ۴۰% بهبود بازدهی در سلول‌های نقاط کوانتمی دیده شد. حال آن‌که این افزایش بازدهی در سلول‌های رنگدانه تنها ۸% بود.»
دلیل این بهبود چشمگیر بازدهی در سلول‌های نقاط کوانتمی عمدتاً به واسطه‌ی افزایش طول عمر و طول نفوذ حاملین بار با افزودن نانولوله‌های کربنی در فوتوآند عنوان شده است.
در روند این تحقیقات پس از تهیه سل تیتانیای مورد نظر جهت لایه نشانی لایه‌متخلخل، نانو لوله‌های کربنی به آن اضافه و لایه نشانی صورت گرفت. در این مرحله فوتوآند متخلخل سلسله مراتبی کامپوزیتی ایجاد شد. سپس بسته به نوع سلول، فوتوآند توسط رنگدانه یا نقاط کوانتمی کادمیم سلناید (از پیش سنتز شده توسط روش سولوترمال) حساس سازی شده و با افزودن کاتد و الکترولیت مورد نظر هر سلول، فرآیند ساخت تکمیل شد. بررسی‌های صورت گرفته بر روی نمونه‌ها شامل پراش پرتو X، میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی، میکروسکوپ عبوری وضوح بالا، میکروسکوپ نیروی اتمی، طیف سنجی رامان و FTIR، طیف سنجی بازتاب نفوذی، اندازه گیری سطح ویژه، مشخصه یابی جریان – ولتاژ، IPCE و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی بوده است.
دکتر محمدرضا گل و بستان فرد و دکتر حسین عبدی زاده- عضو هیأت علمی دانشگاه تهران- در انجام این پژوهش همکاری داشته‌اند که نتایج آن در مجله‌ی Ceramics International (جلد ۴۱، شماره ۱، سال ۲۰۱۴، صفحات ۴۹۷ تا ۵۰۴) منتشر شده است.