پایگاه خبری تحلیلی فناوری و نوآوری

ساخت سلول‌های خورشیدی با ساختاری جدید و متفاوت جهت بهبود خواص ترابردالکترونی

عبدی درباره ضرورت و  اهمیت اجرای طرح گفت: استفاده از انرژی‌های تجدید پذیر و سازگار با محیط زیست از جمله دغدغه‌های امروز وزارت نیرو به حساب می آید. در این راستا گروه های متعددی در ایران دست به کار تولید سلول‌های خورشیدی شده اند. در بین این سلول‌های خوشیدی، سلول‌های نسل جدید از اهمیت بالایی برخوردار هستند.

وی همچنین افزود: هم به دلیل ارزان بودن و در دسترس بودن مواد مورد استفاده و هم به دلیل اینکه انتظار می رود آینده سلول‌های خورشیدی بر این مبنا باشد. در این راستا ما در نظر داریم با پیشنهاد ساختار جدید به بهبود عملکرد این نوع سلول‌ها کمک کنیم.

مروری بر ادبیات و پیشینه تحقیق

عبدی با بیان اینکه سلول‌های خورشیدی در سه دسته مهم جای می‌گیرند، بیان کرد: سلول‌های خورشیدی بالک سیلیکونی که اساس کارشان برپایه تبدیل ماکزیمم تعداد فوتون برخوردی به الکترون برانگیخته به علت گاف انرژی ایده آل بلورهای سیلیکونی ( حدود 2.2 الکترون ولت) است. بزرگترین ایراد سلول‌های بالک سیلیکونی هزینه بسیار بالای مواد اولیه و ساخت آنها است اما سلول‌های ساخته شده از لایه‌های نازک که از سال 2006 به عنوان رقیبی برای دسته اول آسان تر و با هزینه نهایی کمتری ساخته شدند. هر دو نوع این سلول‌ها دارای بیشینه بازدهی کمتر از 30 درصد هستند.

به گفته وی، سلول‌های رنگ دانه‌ای که به نوعی کاربرد نانوساختارها در تکنولوژی خورشیدی هستند، از سال 1991 با مقاله معروف اورگان و گراتزل مورد توجه بیش از پیش پژوهشگران قرار گرفتند. اساس کار بر پایه یک الکترود نیمه رسانا است که در تماس مستقیم با یک پلیمر رنگ دانه ای با گاف انرژی کم قرار می‌گیرد به نحوی که با برخورد فوتون، الکترون از اتم‌های پلیمر برانگیخته شده و به باند رسانش نیمه رسانا راه پیدا کرده و با حرکت درون نیمه رسانا نهایتاً به پایه ی رسانای سلول هدایت شوند. از طرفی برای جبران الکترون‌های از دست رفته ی پلیمر، محلولی موسوم به الکترولیت وظیفه تزریق مجدد الکترون به ترازهای پایه ی پلیمر را دارد. از مهمترین خصوصیات این نوع سلول ها هزینه های ساخت و مواد اولیه بسیار پایین تر از مدل های دیگر و از معایب فعلی آن بازده و عمر مفید نسبتاً پایین آنها است.

عضو هیئت علمی دانشگاه تهران با اشاره به اینکه یکی از مهمترین نیمه رساناهایی که در این سلول‌ها بکار می‌رود دی اکسید تیتانیوم متخلخل است که به انواع فرم‌های لایه نازک، نانو لوله و نانو سیم مورد بررسی و تحقیق قرار گرفته است تصریح کرد: به عنوان مثال در زمینه نانولوله‌های TiO¬2 از بررسی کلی خواص و کاربردهای آن تا نحوه‌های مختلف رشد و تولید آنها مثلاً با تکنیک آنودایزینگ و پارامترهای دخیل در تولید نانولوله‌هایی با قطر، ارتفاع و نظم متفاوت، مقالات و تحقیقات بسیار فروانی تهیه و صورت گرفته‌اند. برای بهبود در ترابرد الکترون این نانوساختارها معمولا از ساختارهای یک بعدی مانند نانولوله های کربنی و نانوسیمهای مختلف استفاده می شود.

هدف پروژه

عبدی با اشاره به اینکه هدف این طرح بررسی بهبود ترابرد الکترون در این ساختارها است. گفت: ترابردالکترون‌ها در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای، از طریق فرآیند پخش در یک اکسید نیم رسانایِ نانوساختارِ مزومتخلخل صورت می‌گیرد. باز ترکیب الکترون‌ها با یون‌های موجود در الکترولیت، منجر به طول پخش و بهرۀ گردآوری محدود الکترون‌ها می‌گردد. بهرۀ گردآوری یکی از کمیّت‌های اساسی در توصیف عملکرد سلول‌های خورشیدی بوده و مستقیماً با جریان مدار کوتاه سلول در ارتباط است.

وی اندازه‌گیری‌های مرتبط با پارامترهای ترابردالکترونی در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای را در دو دستۀ کلی طبقه بندی کرد و گفت: روش‌های مبتنی بر اندازه‎‌گیری در حالت پایدار و روش‌های مبتنی بر اندازه‌گیری پاسخ‌های سلول به اختلال‌های گذرا در این دو دسته جا دارند.  نتایج حاصل از این دو دسته در اغلب موارد متفاوت و گاها متناقض است. این تفاوت‌ها مخصوصاً در مورد طول پخش و بهرۀ گردآوری الکترون‌ها نمود بیشتری دارد. بر اساس گزارش‌های تجربی و نظری، اختلاف در نتایج بین این دو دسته از آنجایی ناشی می‌شود که رابطۀ صریحی برای بهرۀ گردآوری الکترون‌ها در سلول و نحوۀ وابستگی آن به کمیّت‌هایی چون طول پخش الکترون‌ها وجود ندارد. وجود چنین نقصی انگیزۀ اصلی ما برای ارایۀ مدلی به منظور فرمول‌بندیبهرۀ گردآوری الکترون‌ها شد.

این محقق ابراز کرد: در این طرح ما با جایگزینی شبکه نانو ذرات به هم پیوسته که به طور معمول در سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شوند با ستون‌هایی متشکل از نانو ذرات دیاکسیدتیتانیوم، به دنبال ایجاد زمینه‌ای برای ترابردشبه یک بعدی الکترون هستیم. بااستفاده از این روش نمونه هایی ستونی با اندازه مقطع های مختلف ساخته و اثر سطح مقطع بر پارامترهای سلول بررسی شد.