عنوان پایان‌نامه
بررسی اثر پارامترهای ساختاری در افزایش بازده تبدیل فوتون در سلولهای خورشیدی نانو ساختار شده
- رشته تحصیلی
- فیزیک- حالت جامد
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 73927
- تاریخ دفاع
- ۲۷ بهمن ۱۳۹۴
- دانشجو
- سبا علیزاده فنائلو
- استاد راهنما
- یاسر عبدی
- چکیده
- ترابرد الکترونها در سلولهای خورشیدی رنگدانهای، از طریق فرآیند پخش در لای? متخلخل صورت میگیرد و بازترکیب الکترونها با الکترولیت، منجر به طول پخش و بهره گردآوری محدود الکترونها میشود. در این سلولها الکترود گردآوری در انتهای شبک? نیمرسانا قرار داد و در نتیجه مؤلف? طول پخش الکترونها در راستای الکترود گردآوری سهم مهمی در گردآوری الکترونها برعهده دارد. به همین دلیل برای هدفمند کردن حرکت الکترون با حذف مسیرهای غیرمفید، به بررسی ترابرد الکترون در ساختارهای محصور شده شبه دوبعدی پرداختیم. با استفاده از قالبهای سیلیکونی الگودار با ابعاد میکرونی مختلف (در پهنای ستونها و فاصل? خالی بین ستونی)، ساختارهای محصور شدهای در سطح لای? متخلخل ایجاد کردیم و به اندازهگیری پارامترهای ترابرد پرداختیم. در آزمون اختلال کوچک در ولتاژ سلول، به این نتایج ر سیدیم که با وجود طول عمر پایین الکترونها در نمونههای شبه ساختار دوبعدی نسبت به نمونههای پیوست? نانوذرات، ضریب پخش در سطوح بالای انرژی در ساختارهای محصورشده به ویژه در نمونههایی با کوچکترین فا صل? بین ستونی ( 10 میکرون) و پهنای ستونی ( 30 و 20 میکرون) افزایش مییابد. بهگونهای که طول پخش الکترون در ساختارهای شبهدوبعدی نانوذرات دیاکسیدتیتانیوم در چگالی بالای الکترونی نسبت به نمونههای پیوسته به طور چشمگیری افزایش یافته است. در واقع این ساختارها با ایجاد کانالهای ترابردی منحصر به فرد و حذف جهتهای غیر مفید نسبت به شبک? محصور نشده، موجب افزایش طول پخش و نرخ گردآوری الکترونها در سطوح بالای شبه فرمی شدهاند. همچنین نتایج آزمون اختلال کوچک در جریان نیز بیانگر کاهش زمان ترابرد در ساختارهای محصورشده نسبت به پیوسته و افزایش ضریب پخش الکترون در نمونههای میکروستونی در سطوح بالای انرژی میباشد، که تقریباً به یک مقدار همگرا میشوند. بهگونهای که نتایج آزمون اختلال کوچک در جریان، ج افزایش ضریب پخش الکترونها را در نمونههای ستونی در سطوح بالای شبه فرمی بهد ست آمده از آزمون اختلال کوچک در ولتاژ را تأیید میکند. باید بیان کرد که نتایج بهدست آمده از آزمون فروافت بیانگر کاهش طول عمر الکترونها در نمونههای محصور شده نسبت به نمونههای پیوسته (OCVD) ولتاژ به دلیل افزایش ناآراستگی ساختارها میباشد، که با کاهش طول عمر الکترونها در آزمون اختلال کوچک در ولتاژ همخوانی دارند. همچنین منحنی چگالی بار برحسب ولتاژ مدار- باز بهدست آمده از آزمون استخراج بار، بیانگر افزایش عمق تلههای انرژی در ساختارهای محصورشده و کاهش چگالی الکترونهای به تله افتاده میباشد. با بهبود پارامترهای ترابرد در ساختارهای شبهدوبعدی، به عامل 0 در نمونهای با فوا صل خالی بین ستونی 14 میکرون و پهنای 30 میکرون، عامل پر شدگی / پر شدگی 72 9 در نمونهای / 0/69 در نمونهای با فوا صل خالی بین ستونی 10 میکرون و پهنای 20 میکرون و بازده 05 با فواصل خالی بین ستونی 14 میکرون و پهنای 10 میکرون رسیدیم. با توجه به پایین بودن دقت پرینترهای مورد ا ستفاده برای چاپ ما سکها، امکان ساخت قالبهایی با ابعاد کوچکتر(پهنا و فوا صل خالی بین ستونی) وجود نداشت، به همین دلیل انتظار میرود که با کاهش ابعاد این ساختارهای محصور شده، پارامترهای ترابرد به طور چشمگیری افزایش یابد. در این تحقیق از میکروسکوپ الکترونی روبشی )SEM ) و میکروسکوپ نوری در آنالیزها استفاده شد و برای اندازهگیری پارامترهای ترابرد الکترون، دستگاههای استخراج بار و اختلال کوچک طراحی و ساخته شدند. لازم به ذکر است که نتایج تجربی ما در مورد تغییرات ضریب پخش با پهنای میکروساختارها (ساختارهای شبه دوبعدی) و تراز فرمی، با پیشبینیهای نظری همخوانی کامل دارد و بیانگر افزایش نرخ گردآوری الکترونها در طول پخشهای بزرگتر از 40 میکرون در ساختارهای شبه دوبعدی میبا شد و این ساختارهای شبه دوبعدی جایگزین مناسبی برای شبک? پیوست? نانوذرات در سلولهای خورشیدی رنگدانهای میباشند. کلیدواژهها : سلولهای خور شیدی رنگدانهای، ساختارهای شبه دوبعدی شامل نانوذرات، ترابرد الکترون، ضریب پخش الکترونها، طول پخش الکترونها، تلههای انرژی.
- Abstract
- The electron transport in the dye sensitized solar cells takes place through diffusion processes within porous layer where recombination of electrons with electrolyte leads to limited diffusion length and electron collection efficiency. In such cells, the collecting electrode is placed at the end of the semi-conductive network; as a result, the component of electron diffusion length along the collecting electrode plays a crucial role in the collection of electrodes. Due to this، attempts were made to investigate electron transport in quasi-two- dimensional confined structures so as to redirect electron movements by omitting the existing useless routes. Confined structures were created on the surface of porous layer using patterned silicon molds in different micron-sized dimensions (at the cross sections of columns and voids) and then transport parameters were measured. In the Photo -Voltage -Transient test, it was concluded that the diffusion coefficient increases in the confined structures at high levels of energy، particularly in the samples with the lowest void distances (10 microns) and column cross section (30 and 20 microns) despite the shorter lifetime of electrons in two-dimensional quasi-structured samples compared to continuous samples of nanoparticles. In this manner, the electron diffusion length had significant increase in the micro-column samples of titanium dioxide nanoparticles specillay in samples with the lowest void distances and column cross section at high electron density in comparison with continuous samples. In fact, creating exclusive transport channels and omitting useless directions as compared to unconfined network, these structures caused an increase in the diffusion length and electron collection rate at high electron density in the samples with the lowest cross section and void empty space. Moreover, the results of test of small current disturbance indicated a shorter transport time in the confined structures in comparison to the continuous ones. Also increase in the electron diffusion coefficient in micro-column samples at high level of energy was seen, converging to a specific value. In this sense, the results of the test of small voltage disturbance construed increase of electron diffusion coefficient in the column samples at high electron densities obtained from test of small photo current transient. It is worth mentioning that the results obtained from open-circuit voltage-decay (OCVD) indicate shorter electron lifetime in the confined samples than in the continuous 132 samples and this is due to the increase of structure disorder which is in agreement with the decrease of electron lifetime in the small photo voltage transient tests. In addition ، the density-charge curve based on circuit-charge voltage which is obtained from charge extraction test indicated increasing in the deep energy traps and decreasing the density of the electrons in the confined structures in comparison to the continuous structures at high energy levels. With improvement of transport parameters in quasi-two-dimensional structures، 0.72% fill factor was evident in a sample with 14 microns void distance and 30 microns cross section and 0.69% fill factor was found in a sample with 10 micron void distance and 20 micron cross section. Furthermore، 9.05% output was observed in a sample with 14 micron void distance and 10 micron cross section. Duo to the lack of accuracy of utilized printers for printing the masks، it was impossible to make molds with smaller dimensions (cross section and void distances). Also I created all set up of these measurements (charge extraction، Photo - Voltage - Transient and Photo - Current - Transient) during the 4 months. As a result، with decreasing dimensions of these confined structures، significant increase of the transport parameters and collection efficiency is expected and these structures can replace the continuous structures. Our experimental results about the changes of the diffusion coefficient with the area of microstructures (quasi two-dimensional)، match well with theoretical predictions and collection efficiency increase in the quasi-two-dimensional structures when diffusion length larger than 40 micron. It is mention that the quasi-two-dimensional structures can replace the continuous samples in the dye sensitized solar cells. Keywords: Dye Sensitized Solar Cells; Quasi-two-dimensional Structures of nanoparticles; Electron Transport; Electron Diffusion Coefficient; Electron Diffusion Length; Energy Traps
