عنوان پایان‌نامه
سنتز نانو ساختارهای هسته – پوسته ، سیلیکا – نقره به عنوان پراکننده گرهای پلاسمونیک جهت افزایش جذب نور در سلولهای خورشیدی رنگدانه‌ای
- رشته تحصیلی
- شیمی معدنی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 5817;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 71088;کتابخانه پردیس علوم شماره ثبت: 5817;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 71088
- تاریخ دفاع
- ۲۴ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- مهدی ملکشاهی بیرانوند
- استاد راهنما
- علی نعمتی خراط غازیانی
- چکیده
- سلول های خورشیدی رنگدانه ای برای اولین بار در سال 1991 توسط پروفسور گراتزل، به عنوان یک ابزار جالب و ارزان برای تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی مطرح شدند. در این سلول ها، به خاطر ضریب جذب نسبتاً پایین مولکول های رنگدانه، فرآیندهای مدیریت نور امری حیاتی به نظر می رسد. یکی از راه های موثر مدیریت نور در این سلول ها، استفاده از اثر پراکندگی نوری به واسطه ی اثر تشدید پلاسمون سطحی موضعی نانوذرات فلزی نقره می-باشد. اکثر تلاش های انجام شده در این زمینه، استفاده از ذرات نقره با ابعاد کوچک (10 تا 100 نانومتر) بوده است. در این رنج از اندازه ذرات، اثرات میدان نزدیک پلاسمونیک قویتر از اثر میدان دور (پراکندگی) آنها است. بر اساس مطالعات انجام شده; این ذرات با این اندازه برای سلول های خورشیدی رنگدانه ای ایده آل نیستند، زیرا این سلول ها به طور معمول دارای لایه فعال جاذب نور با قطر چندین میکرومتر هستند لذا اثر میدان نزدیک در برابر میدان دور برای آنها بسیار ناچیز است. لذا ما در این پروژه تلاش کردیم تا با استفاده از ذرات با اندازه زیرمیکرنی نقره که دارای اثر میدان دور (پراکندگی) بسیار قوی هستند، جذب نور را در این سلول ها بهبود دهیم.با استفاده از مطالعات شبیه سازی، مشخص شد که ذرات یکنواخت و هم اندازه نقره با اندازه 500 تا 600 نانومتر می-توانند بیشترین اثر میدان دور را داشته باشند. از آنجایی که روش مستقیمی برای سنتز کره ها یا میله های نقره با این اندازه وجود ندارد، لذا نانوساختارهای هسته-پوسته سیلیکا-نقره بجای آنها استفاده شد. در مرحله ی اول بعد از سنتز ذرات زیرمیکرونی کروی و میله ای شکل سیلیکا، آنها را به طور جداگانه به عنوان پراکندگرهای نوری در سلول به کار بردیم. ما توانستیم اندازه و شکل این ذرات را از طریق کنترل پارامترهای سنتز، تغییر دهیم. سپس مطالعات تئوری به ما نشان داد، که این ذرات سیلیکا را با چه اندازه و غلظتی در کدام قسمت سلول بکار ببریم تا حداکثر پراکندگی نور را در سلول ایجاد کنند. با بکار بردن کره ها و میله های سیلیکا به عنوان پراکندگر در این سلول ها، به ترتیب بازدهی از 36/6 به 08/8 و 69/8 درصد افزایش پیدا کرد. در مرحله بعد، کره ها و میله های سیلیکا به روش های مختلفی با نقره پوشش داده شدند. از طریق کنترل شرایط واکنش، مخصوصاً سرعت و قدرت احیاء شدن یون های نقره، توانستیم مورفولوژی سطح پوسته نقره کنترل کنیم. از طرفی مطالعات ما نشان داد که طیف جذب اپتیکی ذرات مختلف سیلیکا-نقره به مورفولوژی پوسته نقره آنها وابسته است. اما در بهترین مورفولوژی، ذرات میله ای شکل سیلیکا-نقره دارای طیف اپتیکی بسیار پهن تر و گسترده تری نسبت به کره های آنها از خود نشان دادند. اثر پلاسمونیک (پراکندگی) کره ها و میله های سیلیکا-نقره در سلول، به ترتیب باعث بهبود بازدهی از 36/6 به 41/8 و 91/8 درصد شده است.
- Abstract
- Dye-sensitized solar cells (DSCs) have become an attractive and cheap device for the conversion of solar energy into electrical energy since Prof. Gratzel reported the prototype of dye solar cell in 1991. A typical DSC consists of a layer of nanostructure Titanium dioxide (TiO2) covered with sensitizing dye and electrolyte containing a redox mediator (I-/I3-) placed between photoelectrode and counter electrode. The total efficiency of the DSC depends on the optimization and compatibility of its constituents. DSCs generally require photon management techniques, in order to compensate for the low optical absorption coefficient of dye molecules. One of the effective ways to photon management in DSCs, is the use of surface plasmon effect in silver nanoparticles. The majority of the efforts related to enhanced light absorption in solar cells using surface plasmons have been optimized primarily for small particles with dimensions in the 10 to 100 nm range. In these conditions the near-field effects are stronger than the scattering (or far-field) effects and therefore they are not ideal for DSC where several micrometers of the absorbing layer are generally used. This constitutes one of the reasons that plasmonic enhancements reported for DSCs, so far, are not significant. Full-field electromagnetic optical simulation showed that optical absorption enhancement dramatically increases when sub-micrometer silver particles (500-600 nm) are used. The enhancement is attributed to the strong light scattering (far-field effect) from silver particles of sub-micrometer diameters. Thus the optical path length of guided resonances, also called resonance modes, in the dye-sensitized layer is increased. However, synthesis of monodisperse solutions of sub-micrometer silver particles is impossible. An alternative approach is synthesis of core-shell nanostructures that involves silica particles as cores and coating them with an optically thick silver shell. In the first step, we synthesize each of rodlike or spherical silica submicron particles as embedded dielectric scatterers using one-pot processes. The size and aspect ratio of these colloids by adjusting parameters of synthesis process. We showed experimentally that the modelling results for light trapping in DSCs provide a reasonably accurate starting point for experimental optimization. Power conversion efficiency of the cell with no silica particles was improved from 6.36% to 8.08% and 8.69% after adding silica spheres and rods, respectively. Next, we coat silica spheres and rods with a thin silver shell by different methods. The surface morphology of silver shell was controlled by adjusting the reaction rate of the reduction process. However, the optical absorption spectra of the different silica-silver particles shows variations with the synthesis recipe and hence with the surface morphology. The rodlike silica- silver particles have a broadband optical response relative to silica- silver spheres. Finally, based on theoretical study we used different forms of silica-silver nanostructures in different parts of the DSCs, which leads to the improvement in the power conversion efficiency from 6.36% to 8.48% 8.91% and after adding silica-silver spheres and rods, respectively. Keywords: Dye-sensitized solar cells, photon management, surface plasmon resonance, silica-silver nanostructures
