محققان دانشگاه خوارزمی در طرحی تحقیقاتی موفق به ساخت نانوساختارهایی شده‌اند که از قابلیت نوری بسیار مطلوبی برخوردار است. کاربرد این نانوساختار در یک نمونه‌ی سلول خورشیدی مورد آزمایش، افزایش قابل توجه بازده آن را در پی داشته است. نانوساختار معرفی شده در مق
دانشگاه خوارزمی: ساخت آزمایشگاهی نانوساختارهای فوتونیکی با کاربرد در سلول‌های خورشیدی
مدیریت و استفاده‌ی بهینه از نور در تجهیزات الکترواپتیکی از مسائل مهم در حوزه‌ی فوتونیک است و لذا طراحی نانوساختارهایی با عملکرد بالای نوری از علاقه مندی‌های فعالان این حوزه است.
به گفته‌ی دکتر محمدحسین مجلس آرا، از جمله اهداف این تحقیق، دستیابی به ساختار جدیدی بوده است که قابلیت پراکندگی نوری منحصربفردی داشته باشد. علاوه بر این، روش سنتز به کار رفته در ساخت آن آسان و تکرارپذیر باشد و قابلیت کنترل آسان‌تر ضخامت مورد نیاز را در اختیار قرار دهد.
نانوساختار تهیه شده در این طرح به صورت هسته- پوسته و از جنس سیلیکا-تیتانیا است. کره‌های سیلیکا-تیتانا در ابعاد طول موج مرئی با قطر سیلیکای ۳۵۰ نانومتر و ضخامت پوسته‌های مختلف ۲۰، ۴۰، ۵۵ و۷۰ نانومتر ساخت و مورد بررسی قرار گرفتند. ضریب شکست بالا و پایداری تیتانا در کنار اندازه‌ی یکنواخت ذرات و همینطور پراکندگی همزمان و مؤثرتر ساختار هسته-پوسته، این ذرات را گزینه‌ی مناسبی جهت کاربرد در ادوات الکترواپتیکی و آزمایش‌های مربوط به لیزر می‌کند.
طبق نتایج حاصل از بررسی‌های انجام شده استفاده از این ساختار در یک نمونه از سلول خورشیدی حساس شده با رنگدانه، افزایش ۲۶ درصدی فوتوجریان و ۱۸ درصدی بازده آن را فراهم آورده است. این ساختار علاوه بر افزایش بازده و کارایی ادوات الکترواپتیکی و تجهیزات نوری، منجر به کاهش هزینه‌ی این تجهیزات نیز خواهد شد.
به گفته‌ی این محقق، این ساختار جدید هسته-پوسته به دلیل قابلیت بالای نوری قادر است در جاهایی که نیاز به بازتاب بالای ناحیه‌ی نور مرئی است به خوبی عمل کند. به عنوان مثال انواع مختلف سلول‌های خورشیدی، رندوم لیزر، صنعت خودرو و رنگ بخشی از کاربردهای متفاوت آن است.
مجلس آرا در ادامه به نحوه‌ی تهیه‌ی این ساختار پرداخت و عنوان کرد: «در این طرح قابلیت پراکندگی نوری در ساختار هسته-پوسته از جنس سیلیکا-تیتانا به صورت سیستماتیک مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور نانوساختاری از جنس تیتانیا به روش سنتز استابر (Stober) که بسیار ساده و آسان است، تهیه شده‌اند. نتایج آزمون‌های اپتیکی، ضخامت بهینه‌ی تیتانا را برای این ساختار معین کرد. همچنین ساختار تهیه شده به کمک روش‌های EDX، FESEM، FTIR و XRD مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه به عنوان نمونه‌ای از کاربرد این ساختار، کره‌ها به عنوان لایه‌ی پراکنده‌گر در سلول خوررشیدی نانوساختار حساس شده با رنگدانه مورد استفاده قرار گرفتند. این لایه با جلوگیری از عبور نور از سلول و در نتیجه به دام انداختن آن و افزایش مؤثر مسیر نوری در داخل سلول، موجب افزایش فوتوجریان و در نتیجه بازده سلول خورشیدی شد.»
نتایج این تحقیقات در مجله‌ی Optical Materials (جلد ۴۷، شماره ۹، سال ۲۰۱۵، صفحات ۵۱ تا ۵۵) منتشر شده و دکتر محمد حسین مجلس آرا- عضو هیأت علمی دانشگاه خوارزمی، سمیرا فلاحت دوست، زینب شعبان و ناهید غضیانی از دانشجویان این دانشگاه در انجام آن همکاری داشته‌اند.
به گفته‌ی دکتر محمدحسین مجلس آرا، از جمله اهداف این تحقیق، دستیابی به ساختار جدیدی بوده است که قابلیت پراکندگی نوری منحصربفردی داشته باشد. علاوه بر این، روش سنتز به کار رفته در ساخت آن آسان و تکرارپذیر باشد و قابلیت کنترل آسان‌تر ضخامت مورد نیاز را در اختیار قرار دهد.
نانوساختار تهیه شده در این طرح به صورت هسته- پوسته و از جنس سیلیکا-تیتانیا است. کره‌های سیلیکا-تیتانا در ابعاد طول موج مرئی با قطر سیلیکای ۳۵۰ نانومتر و ضخامت پوسته‌های مختلف ۲۰، ۴۰، ۵۵ و۷۰ نانومتر ساخت و مورد بررسی قرار گرفتند. ضریب شکست بالا و پایداری تیتانا در کنار اندازه‌ی یکنواخت ذرات و همینطور پراکندگی همزمان و مؤثرتر ساختار هسته-پوسته، این ذرات را گزینه‌ی مناسبی جهت کاربرد در ادوات الکترواپتیکی و آزمایش‌های مربوط به لیزر می‌کند.
طبق نتایج حاصل از بررسی‌های انجام شده استفاده از این ساختار در یک نمونه از سلول خورشیدی حساس شده با رنگدانه، افزایش ۲۶ درصدی فوتوجریان و ۱۸ درصدی بازده آن را فراهم آورده است. این ساختار علاوه بر افزایش بازده و کارایی ادوات الکترواپتیکی و تجهیزات نوری، منجر به کاهش هزینه‌ی این تجهیزات نیز خواهد شد.
به گفته‌ی این محقق، این ساختار جدید هسته-پوسته به دلیل قابلیت بالای نوری قادر است در جاهایی که نیاز به بازتاب بالای ناحیه‌ی نور مرئی است به خوبی عمل کند. به عنوان مثال انواع مختلف سلول‌های خورشیدی، رندوم لیزر، صنعت خودرو و رنگ بخشی از کاربردهای متفاوت آن است.
مجلس آرا در ادامه به نحوه‌ی تهیه‌ی این ساختار پرداخت و عنوان کرد: «در این طرح قابلیت پراکندگی نوری در ساختار هسته-پوسته از جنس سیلیکا-تیتانا به صورت سیستماتیک مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور نانوساختاری از جنس تیتانیا به روش سنتز استابر (Stober) که بسیار ساده و آسان است، تهیه شده‌اند. نتایج آزمون‌های اپتیکی، ضخامت بهینه‌ی تیتانا را برای این ساختار معین کرد. همچنین ساختار تهیه شده به کمک روش‌های EDX، FESEM، FTIR و XRD مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه به عنوان نمونه‌ای از کاربرد این ساختار، کره‌ها به عنوان لایه‌ی پراکنده‌گر در سلول خوررشیدی نانوساختار حساس شده با رنگدانه مورد استفاده قرار گرفتند. این لایه با جلوگیری از عبور نور از سلول و در نتیجه به دام انداختن آن و افزایش مؤثر مسیر نوری در داخل سلول، موجب افزایش فوتوجریان و در نتیجه بازده سلول خورشیدی شد.»
نتایج این تحقیقات در مجله‌ی Optical Materials (جلد ۴۷، شماره ۹، سال ۲۰۱۵، صفحات ۵۱ تا ۵۵) منتشر شده و دکتر محمد حسین مجلس آرا- عضو هیأت علمی دانشگاه خوارزمی، سمیرا فلاحت دوست، زینب شعبان و ناهید غضیانی از دانشجویان این دانشگاه در انجام آن همکاری داشته‌اند.
