شبیه سازی و ساخت سلول های خورشیدی پلیمری ناهمگون حجمی با ساختار متوالی
چکیده
در تحقیقات اخیر، سلول های خورشیدی که بر مبنای نیم رساناهای آلی و پلیمری ساخته می شوند بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. زیرا قابلیت ساخت این نوع از سلول ها در فاز محلول با هزینه کم و بر روی زیرلایه های انعطاف پذیر امکان پذیر می باشد. استفاده از مفهوم ناهمگون حجمی، راحتی ساخت و همچنین بازدهی این نوع از سلول ها را افزایش داده است. اما بازدهی سلول های پلیمری در مقایسه با سلول های معدنی پایین تر است. تحقیقات بسیاری در زمینه های مختلف به منظور بهبود عملکرد این نوع از سلول ها انجام شده است. یکی از راهکارها به منظور بهبود عملکرد سلول های خورشیدی استفاده از مفهوم اتصال متوالی است. در این رساله ابتدا سعی شد تا با رشد نانوساختاری پلیمری از مشتقات تیوفن، پیوند ناهمگون حجمی بین دو ماده دهنده و پذیرنده تشکیل شود. برای این منظور با کنترل چگالی جریان حین سنتز و لایه نشانی پلیمر p3mt مورفولوژی لایه تغییرات محسوسی داشت. تصاویر میکروسکوپ الکترونی نشان داد که در چگالی جریان های کم، لایه پلیمری با ناهمواری های سطحی مناسب جهت استفاده در سلول پلیمری ناهمگون حجمی شکل گرفته است. با استفاده از این راهکار جریان اتصال کوتاه سلول ازma/cm2 1.4 به 4.21 ma/cm2 افزایش پیدا کرد. با رشد پلیمر در چگالی جریان های بالاتر و بررسی خواص کاتالیستی این لایه ها، از آن ها به عنوان الکترود مقابل در سلول های حساس به رنگ استفاده شد. سپس از رهیافت استفاده از دو ماده دهنده و پذیرنده در یک حلال مشترک استفاده شد. در این پژوهش، ابتدا با استفاده از شبیه سازی اپتیکی، شرایط بهینه برای ساخت سلول پایه پلیمری بر مبنای ترکیب پلیمر دهنده p3ht و ماده آلی پذیرنده pcbm تخمین زده شد. مطالعات نشان داد که ضخامت و دمای پخت لایه های فعال، نقش مهمی در عملکرد سلول دارند. با تغییر دمای پخت لایه های فعال متشکل از دو ماده دهنده و پذیرنده، مورفولوژی و سایز نواحی تشکیل شده در لایه تغییر می کند. درنتیجه پیدا کردن شرایط بهینه برای دما و ضخامت اهمیت زیادی دارد. با استفاده از مدل ماتریس انتقال، دمای 140 درجه و ضخامت حدود 240 نانومتر به عنوان شرایط بهینه برای عملکرد سلول تخمین زده شد. سپس سلول پلیمری ناهمگون حجمی با ساختار ito/pedot:pss/p3ht:pcbm/al ساخته و مشخصه یابی شد. همانطور که انتظار می رفت دمای پخت و ضخامت، دو عامل تأثیرگذار در عملکرد سلول بود. مقایسه طیف پراش اشعه ایکس لایه های p3ht:pcbm در دو حالت با پخت در دمای 140 درجه و بدون هیچ گونه عملیات حرارتی نشان داد که شبکه کریستالی پلیمر در حالتی که حرارت دهی انجام شده است، در جهت مشخصی شکل گرفته و همین موضوع بر عملکرد سلول تأثیر دارد. با توجه به اهمیت چگونگی توزیع شدت نور در سلول، با استفاده از یک لایه شفاف قبل از کاتد (لایه جدا کننده اپتیکی) توزیع شدت نور در سلول بهینه شده و با ساخت سلول مورد نظر بر اساس نتایج شبیه سازی عملکرد سلول مورد مطالعه قرار گرفت. در مرحله بعد به منظور افزایش پارامترهای عملکرد سلول، سلول پلیمری ناهمگون حجمی با ساختار متوالی، ساخته و مشخصه یابی شدند. در ساختارهای متوالی (تندم) با اتصال سری، لایه میانی که برای اتصال دو سلول به کار برده می شوند نقش بسزایی در عملکرد سلول دارند. در این مرحله با توجه به اهمیت فرآوری سلول در فاز محلول، لزوم نقش حفاظتی لایه های زیرین توسط لایه میانی و همچنین بازترکیب مؤثر حامل های بار در این لایه، با استفاده از یک نانوکامپوزیت پلیمر/نقره، سلول پلیمری متوالی با ساختار ito/pedot:pss/p3ht:pcbm/tio2/nanocomposite/p3ht:pcbm/al ساخته و مشخصه یابی شد. با به کار بردن نانوکامپوزیت سنتز شده در نقش لایه میانی و متصل کننده دو سلول، ولتاژ مدار باز سلول به 1.1 v رسید. در نهایت برای ساخت سلول متوالی با اتصال موازی از ساختار ساده ito/pedot:pss/znpc/p3ht:pcbm استفاده شد. با توجه به طیف جذبی مکمل دو ماده چگالی جریان اتصال کوتاه سلول به حدود جمع جریان های دو سلول پایه یعنی 7.08 ma/cm2 افزایش پیدا کرد.