عنوان پایان‌نامه
ساخت نانو ساختارهای اکسید تیتانیوم تخلخل بالا جهت استفاده در سلولهای خورشیدی رنگدانه ای
- دانشجو
- محمد ساجدی الوار
- استاد راهنما
- یاسر عبدی
- رشته تحصیلی
- علوم و فناوری نانو - نانو فیزیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 5522;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 69103
- تاریخ دفاع
- ۳۱ شهریور ۱۳۹۳
- چکیده
- سلولهای خورشیدی رنگدانه‌ای به عنوان نوعی از نسل سوم سلولهای خورشیدی، به دلیل صرف? اقتصادی و سادگی ساخت، نوید دستیابی به یک منبع انرژی پاک و بی پایان را در آینده می‌دهند. یکی از مهمترین قسمتهای این نوع سلولها، لای? نانومتخلخل اکسید نیمرسانا (اغلب نانوساختارهای دی اکسیدتیتانیوم) است. در این پایان نامه، با هدف مهندسی هندس? لای? اکسید نیمرسانا برای بهبود عملکرد آن، ابتدا با روشی مبتنی بر سنتز شیمیایی، با استفاده از پیش ماده‌ای نظیر تیتانیوم ایزوپروپکساید، موفق به ساخت خمیر نانوذرات اکسیدتیتانیوم شدیم و توانستیم با تغییر پارامترهای مختلف درگیر در ساخت خمیر، خواص مورفولوژیکی آن را کنترل کنیم. برای این کار ابتدا با کنترل تخلخل خمیر نانوذرات و ساخت نمونه‌هایی با درصد تخلخلهای متفاوت، تأثیر تخلخل لای? اکسید نیمرسانا را بر عملکرد سلول بررسی کردیم، به طوری که در بین سلولهای ساخته شده، بهترین بازدهی (08/5 درصد) برای سلول ساخته شده با لایه‌ای از نانوذرات با تخلخل 53 درصد به دست آمد. برای اولین بار پیشنهاد ساخت سلولهای خورشیدی با ساختار شبه یک بعدی (ستونهای شبه یک بعدی متشکل از نانوذرات دی‌اکسیدتیتانیوم) ارائه شد، که می‌تواند ترابرد الکترونی منحصر به فردی نسبت به ساختارهای متداول داشته باشد. با کنترل متغیرهای مختلف در فرآیند ساخت خمیر نانوذرات، از جمله مقدار و نوع پلیمر مورد استفاده (PEG2000 و PEG35000)، موفق به ایجاد ستونهایی متشکل از نانوذرات، با انداز? سطح مقطعهای مختلف بر روی شیشه رسانا شدیم. سپس تأثیر انداز? سطح مقطع ستونها را بر عملکرد سلول بررسی کردیم. نتایج نشان دادند که طول عمر الکترون در سلولهای ساخته شده با ستونهای نانوذرات نسبت به سلول ساخته شده با لای? پیوسته از نانوذرات، افزایش چشمگیری دارد. علاوه براین، اندازه‌گیری‌های ضریب پخش الکترون (که با انجام آزمون اختلال کوچک (SP)، و اندازه‌گیری زمان ترابرد الکترون انجام شد) نشان دادند، اگر لای? پیوست? نانوذرات را با ستونهایی که ابعاد سطح مقطع آنها نزدیک به طول پخش الکترون است، جایگزین کنیم، ضریب پخش کاهش می‌یابد. در حالی که با کاهش سطح مقطع ستونها مقدار آن افزایش می‌یابد. به طوری که برای سلول ساخته شده با ستونهایی با کوچکترین سطح مقطع، ضریب پخش بیشترین مقدار را دارد. با توجه به افزایش طول عمر و ضریب پخش، در نهایت در بین نمونه‌های ساخته شده، بهترین بازدهی (11/6 درصد) مربوط به سلولی است که با ستونهایی با کوچکترین سطح مقطع (µm2 500) ساخته شده است. با انجام آزمون استخراج بار (ChE) و اندازه‌گیری چگالی بار بر حسب زمان، نرخ بازترکیب را بررسی کردیم. نتایج حاکی از این است که این نرخ در نمونه‌های ستونی نسبت به نمون? پیوسته کاهش چشمگیری دارد. با اندازه‌گیری چگالی الکترونهای در تله افتاده بر حسب ولتاژ مدار- باز (سطح فرمی) از روش ChE، توزیع تله‌های انرژیِ لای? اکسید نیمرسانا در سلولهای رنگدانه‌ای را بررسی کردیم و نشان دادیم علاوه بر توزیع نمایی از تله‌های سطحی که در سطوح فرمی میانی بازترکیب را کنترل می‌کند، توزیعی از تله‌های عمیق نیز وجود دارد که در سطوح فرمی بسیار پایین، سهم قابل توجهی در بازترکیب دارد. به کمک نتایج بدست آمده از آزمون ChE برای چگالی بار بر حسب زمان، طول عمر الکترون را به روشهای ChE1 و ChE2 محاسبه و نتایج آن را با طول عمرهای محاسبه شده از روش OCVD مقایسه کردیم (این کار برای نخستین بار به صورت تجربی در سلولهای خورشیدی رنگدانه‌ای انجام شده است). مشاهده شد که به طور کلی طول عمرهای محاسبه شده از روش OCVD از مقادیر بدست آمده از دو روش ChE1 و ChE2 کوچکتر هستند و به کمک دو ضریب به نامهای عامل ایده‌آلی m (که خطی و غیر خطی بودن مکانیزم بازترکیب را تعیین می‌کند)، عامل ترمودینامیکی (که گستردگی تله‌های انرژی را تعیین می‌کند و همان ضریبی است که در رابط? دارکِن ظاهر می‌شود)، به هم مربوط می‌شوند (این ارتباط پیش از این در گروه ما به صورت نظری بررسی شده است). با بررسی و مطالع? نمودار ولتاژ- شدت نور، مکانیزم‌های بازترکیب را از طریق بررسی مرتب? واکنش و عامل ایده‌آلی بررسی کردیم. نتایج نشان دادند که برای سطوح فرمی بالا، مرتب? واکنش (و همینطور عامل ایده‌آلی) نزدیک به یک است و بنابراین مکانیزم بازترکیب خطی است و ولتاژ مدار- باز توسط حالتهای نوار رسانش کنترل می‌شود. در حالی که با نزدیک شدن به سطوح فرمی میانی، گذار از رژیم بازترکیب خطی به رژیم غیر خطی رخ می‌دهد و مکانیزم بازترکیب غیر خطی حاکم می‌شود (مرتب? واکنش به سمت مقادیر کوچکتر و عامل ایده‌آلی به سمت مقادیر بزرگتر از یک می‌رود). علاوه بر این، با محاسب? دمای مشخص? تله‌ها، T0، از نمودار چگالی حالت، گستردگی تله‌های انرژی را مطالعه کردیم و با محاسب? T0/T از صحت نتایج بدست آمده برای عامل ترمودینامیکی اطمینان حاصل کردیم. کلیدواژه‌ها: سلولهای خورشیدی رنگدانه‌ای، نانوذرات دی‌اکسیدتیتانیوم، ترابرد الکترون، بازترکیب بار، تله‌های انرژی.
- Abstract
- Dye Sensitized Solar Cells (DSSCs) as a kind of third generation of solar cells, due to their low cost and ease of production, promise to achieve a clean and endless source of energy in future. One of the main parts of these cells is nanoporous semiconducting oxide; usually TiO2 nanostructures. In this thesis, in order to engineering the geometry of semiconducting oxide layer for optimizing its operation, at first by applying a method, based on chemical synthesis, using a precursor such as Titanium Iso Propoxide, we produced TiO2 nanoparticles paste and could control its morphological properties by changing the parameters of the fabrication process. By controlling the porosity of TiO2 paste and producing samples with different porosities, we investigated the effect of this morphological property on the cell operation. However, the best efficiency, namely %5.08, achieved for the cells which contained TiO2 layer with %53 porosity. For the first time in the field of DSSCs, we have proposed a method of fabrication of DSSCs, using quasi-one-dimensional structures (quasi-one-dimensional columns of TiO2 nanoparticles), which can have unique electron transport in comparison to conventional structures. By controlling different parameters of TiO2 paste fabrication process, such as the amount and the kind of applied polymers (PEG20000 and PEG35000), we produced columns made of TiO2 nanoparticles with variety of sizes of cross-sections on conductive glass (FTO) and then assessed the effect of cross-sectional sizes on the cell operation. The results have shown that the electron life time considerably enhanced in the cells which are made of TiO2 nanoparticle columns, compared to the cells which contained interconnected network of TiO2 nanoparticles. Besides, our measurements of the electron diffusion coefficient (done by small perturbation method and measuring the electron transport time), have shown that by replacing the interconnected network of TiO2 nanoparticles by large cross-section columns whose dimensions are about electron diffusion length, diffusion coefficient decreases, while it increases by decreasing column's cross-sections. So that for the smallest cross-sections, diffusion coefficient reaches its maximum amount. Considering the increase in diffusion coefficient and life time, the best efficiency, namely %6.11, is obtained for the cells made of columns with smallest cross-section (500 µm2
