No products in the cart.
عوامــل موثر در بهبود کارایی سلول های خورشیدی پلیمری
نچه در مورد سلول های خورشیدی پلیمری حائز اهمیت است بهبود بازدهT میزان جذب نور و نیز تولید ساختارهای جدید با مورفولوژی های متنوع افزایش انعطاف پذیری و پایداری محیطی است. امروزه تمرکز دانشمندان روی افزایش بازده سلول های خورشیدی پلیمری است. از جمله مهمترین عوامل تأثیرگذار در این امر میتوان به نوع پلیمر استفاده شده، بهبود ولتاژ مدار باز بهبود میزان جذب نور خورشید و تغییر ساختار آن ها اشاره کرد که در ادامه مورد بررسی و مطالعه قرار خواهند گرفت.
1. پلیمرهای مورد استفاده در سلول های خورشیدی پلیمری
به طور کلی مواد پلیمری دارای الکترونهای پای (π) بوده که با جذب نور خورشـــــیـد بار الکتریکی در آن ایجاد می شود، لذا این مواد قابلیت استفاده در سلولهای خورشیدی پلیمری را دارند. این مواد به دو دسته اصلی دهنده و گیرنده تقسیم میشوند. شکل 1 و 2 نشان دهنده برخی از آخرین انواع این پلیمرهای نیمه هادی دهنده و گیرنده است. اغلب پلیمرهای نیمه هادی هادی انتقال دهنده ی حفره هستند که به این مواد پلیمرهای دهنده گفته می شود. چهار نوع از متداول ترین و مهمترین این پلیمرها P3HT ،’PFO-DBT ،MEH-PPV و PCDTBT است. امروزه، برخی دیگر از پلیمرها نیز که دارای گاف انرژی کمی هستند در سلول های خورشیدی پلیمری استفاده می شوند.
پلیمرهایی نظیر CN-MEH-PPV و PF8TB و برخی مولکولهای کوچک، و C (فولرین) و محلولی از مشتقات C1 و C70 به نام های PC, BM و PCBM به عنوان گیرنده های الکترون مورد استفاده قرار می گیرند.
2. بهبود میزان جذب نور خورشید
یکی از پارامترهای محدودیت در سلول های خورشیدی پلیمری میزان جذب کم و گاف انرژی زیاد مواد و ناهماهنگ بودن آنها با تابش خورشید است. به عنوان مثال، poly (p-phenylenevinylenes) (PPVs) و پلی تیوفن ها به ترتیب دارای گاف انرژی 2/2 و 1/85 الکترون ولت هستند. گاف انرژی 1/85 الکترون ولت دارای لبه ی جذب 670 نانومتری تنها می تواند 16 درصد از فوتونهای نور خورشید را جذب نماید، در حالی که گاف انرژی 1/1 الکترون ولت سیلیکون توانایی جذب 90 درصد از نور خورشید را دارد. شکل 3 میزان جذب طیف نور خورشید در گاف انرژی های مختلف Si و PHT را نشان می دهد. با توجه به تحقیقات صورت گرفته میتوان گفت برای دستیابی به بازدهی حدود 10 درصد، در صورتی که پلیمر گیرنده PCBM باشد، می بایست میزان گاف انرژی پلیمردهنده 1/7 الکترون ولت باشد.
از طرف دیگر میزان گاف انرژی کمتر علاوه بر افزایش میزان جذب نور خورشید میزان بیشینه ی چگالی جریان را افزایش خواهد داد. شکل 4 انواع مختلفی از پلیمرهای دهنده و سیلیکون را نشان می دهد که با کاهش هر چه بیشتر گاف انرژی میزان بیشینه چگالی جریان نیز افزایش می یابد. لذا، همواره یکی از موضوعاتی که پژوهشگران روی آن متمرکز شده اند، دست یابی به پلیمرها و کوپولیمرهای جدید با گاف انرژی های کوچک است. جزئیات مربوط به اثر گاف انرژی به طور گسترده در منابع [23 – 26] مورد بررسی قرار گرفته است. در جدول 1 ارتبــاط بین گاف انرژی و بازدهی سلول های خورشیدی پلیمری که به وسیله محققین صورت گرفته است نشان داده شده است.
3. بهبود میزان ولتاژ مدار باز
ولتاژ مدار باز Voc در سلول های خورشیدی پلیمری متناسب با میزان اختلاف انرژی بین LUMO گیرنده الکترون و HOMO دهنده الکترون است. از طرف دیگر این متغیر به چگونگی تماس بین لایه فعال و الکترود و هم چنین مورفولوژی لایه فعال بستگی دارد. یکی از روش های افزایش ولتاژ مدار باز استفاده از لایه بافر در سلول خورشیدی پلیمری است. با استفاده از لایه بافر با ضخامت های نانومتری در این سلولها تقریبا 10 نانومتر، نه تنها میزان ولتاژ مدار باز افزایش می یابد، بلکه این لایه بافر به عنوان یک لایه واسط از واکنش میان الکترود و لایه فعال جلوگیری می نماید.
البته این نکته قابل توجه اســـــت که اثر لایه بافر با تغییر در نوع آن تغییر خواهد نمود. در جدول 2 تعدادی از سلول های خورشیدی پلیمری که دارای لایه های بافر نوع n هستند، نشان داده شده است.
در جدول 3 تعدادی از سلول های خورشیدی پلیمری که دارای لایههای بافر نوع p هستند، نشان داده شده است.
4. سلول های خورشیدی با ساختار اتصال ناهمگون توده ای
یکی از روش های بهبود بازدهی سلول های خورشیدی پلیمری تغییر ساختار آنها است یکی از این روش ها تغییر شکل در قرارگیری لایه های بافر و فعال است. در سلول های پلیمری معمولی تمامی جفت الکترون حفره های تولید شده نمی توانند مسیری برای حرکت به سمت الکترودها پیدا کنند، زیرا بخشی که شامل پذیرنده و گیرنده است از الکترودها جدا است. برای برطرف کردن این مشکل و افزایش بازده سلولهای خورشیدی پلیمری استفاده از ساختارهای ناهمگون تودهای پیشنهاد شده است. در شکل 5 ساختار ایده آلی از یک سلول خورشیدی پلیمری با ساختار ناهمگون تودهای نشان داده شده است.
در این ساختار، نانوساختارهای نوع n و p با فاصله بسیار کمی با عمق نفوذ 5 تا 20 نانومتر در کنار هم قرار گرفته اند. این نوع قرارگیری به دلیل افزایش فصل مشترک و سطح تماس پذیرنده و گیرنده باعث می شود که جدایش و انتقال الکترون راحت تر اتفاق افتد.
یکی دیگر از روشهای تغییر ساختار، جابه جایی لایه ها و استفاده کردن از مواد مختلف در لایه بافر سلولهای خورشیدی پلیمری است. به عنوان مثال، امروزه ثابت شده است که استفاده از لایه ی اسیدی PEDOT PSS باعث اکسید شدن فلز کاتد در معرض هوا می.شود لذا امروزه محققان با تغییر لایه های بافر به دنبال تغییر ساختار و در نهایت افزایش بازدهی هستند یکی از این ساختارهای جدید در شکل ۶ آمده است که لایه های اکسید روی و اکسید وانادیوم در آن به عنوان لایه بافر به کار رفته است.
نتیجه گیری
با توجه به مطالب ارائه شده در این پژوهش، میتوان نتیجه گرفت عواملی چون بهبود شفافیت انعطاف پذیری کاهش هزینه و افزایش بازده از مهمترین مسائل مورد بررسی در سلول های خورشیدی زمینه پلیمری هستند. امروزه تمایل صنایع مختلف به تولید سلول های خورشیدی انعطاف پذیر است از این رو هر چند شیشه های ITO یکی از بهترین مواد مورد استفاده در سلول های خورشیدی پلیمری از نظر شفافیت هستند، اما به دلیل محدودیت هایی چون انعطاف پذیری پایین و هزینه زیاد این ماده، به نظر می رســــــد.
ITO آینده روشنی در تولید سلول های خورشیدی پلیمری نخواهد داشت. همچنین نوع پلیمر مورد استفاده و ساختار سلول خورشیدی پلیمری نقش بسزایی در بهبود خواص این نوع سلولها ایفا می کند. از طرف دیگر با کنترل و بهبود خواصی نظیر میزان جذب نور خورشید و میزان ولتاژ مدار باز میتوان بازدهی در سلول های خورشیدی پلیمری را افزایش داد. اما با توجه به محدودیت در انتخاب و بهبود خواص پلیمرها انجام تحقیقات در زمینه تولید سلول های خورشیدی پلیمری با ساختارهای جدید که توانایی بهبود بازده در مقیاس قابل توجه را داشته باشند ضروری به نظر میرسد.
