۲۲۱۲۸پ
per
مطالعه‌ی خواص فیزیکی سلول‌های خورشیدی هیبریدی حجمی متشکل از نانوساختارهای اکسیدروی و پلیمرهای مزدوج
Studying the physical properties of bulk hybrid solar cells consisting of ZnO nanostructures and conjugated polymers
/بهنام زینال‌وند فرزین
: شیمی
، ۱۳۹۸
، راشدی
۱۲۴ص
چاپی - الکترونیکی
دکتری
فیزیک گرایش حالت جامد
۱۳۹۸/۰۶/۱۷
تبریز
تولید الکتریسیته از راه انرژی فوتوولتائی بواسطه‌ی سلول‌های خورشیدی، همتای دست‌ساز انسانی برای عمل فوتوسنتز به حساب می‌آید .هر منبع انرژی بلندمدت باید بر اساس انرژی خورشیدی پایه‌گذاری شود از این رو استفاده از انرژی فوتوولتائی حتمی و ضروری است .در چند دهه‌ی اخیر سلول‌های خورشیدی نسل سوم یکی از منابع تامین انرژی شناخته شده‌اند .این نسل از سلول‌ها به دلیل قیمت پایین، سبک‌بودن و قابلیت انعطاف، دسته‌ای پیشرو در زمینه‌ی پژوهشی سلول‌های خورشیدی به حساب می‌آیند .از میان سلول‌های نسل سوم، سلول‌های خورشیدی هیبریدی حجمی از یک‌سو از مزایای مواد آلی همچون چگالی پایین، انعطاف‌پذیری و ارزانی بهره می‌برند و از سوی دیگر از ویژگی‌های منحصر به فرد مواد معدنی نانوساختار استفاده می‌کنند .در این میان اکسیدهای فلزی به لحاظ قابلیت سنتز به شکل انواع نانوساختارها اعم از نانوذرات، نانومیله‌ها، تتراپدها و دیگر اشکال مختلف جهت ایجاد مسیرهای بهینه برای انتقال بار و از طرف دیگر برخورداری از خصوصیات ویژه‌ی الکترونی همچون تحرک الکترونی بالا در آمیخته‌های سلول‌های خورشیدی هیبریدی حجمی مورد استفاده واقع شده‌اند .در میان انواع اکسیدهای فلزی که برای ساخت این سلول‌ها بکار می‌روند، اکسیدروی به دلیل ویژگی‌هایی همچون غیرسمی بودن، ارزانی، پایداری مکانیکی-حرارتی و سنتز آسان در ریخت‌شناسی‌های مختلف توجه ویژه‌ای را به خود جلب کرده است .از سوی دیگر، پلی‌آنیلین که یکی از قدیمی‌ترین پلیمرهای مزدوج است، ویژگی‌های نوری و الکترونی خوبی از خود نشان داده است علاوه بر آن می‌توان به سهولت، لایه‌های نازکی در ابعاد بزرگ از این ماده را تهیه کرد .با توجه به این ویژگی‌ها، در این پروژه به روشی مستقیم، لایه‌فعالی معرفی شده که در آن نانوذرات اکسیدروی به عنوان گیرنده و پلی‌آنیلین نوع امرالدین ناآلاییده به عنوان دهنده بکار رفته‌اند .جهت بهینه‌سازی این لایه‌ی فعال تاثیر پارامترهای مختلف همچون غلظت مواد اولیه در حلال‌ها، نسبت حجمی مواد در لایه‌ی فعال، دمای بازپخت، ضخامت لایه‌ی فعال و مدت زمان مخلوطشدن دو ماده در کارکرد سلول، تحت بررسی قرار گرفته است .لایه‌های موردنظر تحت آزمون‌هایی همچون طیف‌سنجی جذب فرابنفش-مرئیVis.)- (UV، طیف‌سنجی پراش انرژی پرتوی ایکس(EDX) ، میکروسکوپ پویش الکترونی اثر میدان (FESEM) قرار گرفته و مشخصه‌ی جریان-ولتاژV) - (Iبرای انواع لایه‌های فعال، مطالعه شده است .نتایج نشان می‌دهند که با افزایش میزان نانوذرات اکسیدروی در آمیخته‌ی نانوذرات اکسیدروی:پلی‌آنیلین، ولتاژ مدارباز و جریان مدارکوتاه تدریجا افزایش می‌یابد و به مقادیر بهینه‌ی خود می‌رسند .مقدار عددی مقادیر بهینه برای ولتاژ مدارباز ۲۲۰ میلی‌ولت و برای چگالی جریان مدارکوتاه برابر ۲۲ میکروآمپر بر سانتی‌متر مربع می‌باشد .مقادیر بهینه‌ی Voc و Jsc به ازای نسبت ۲:۱ حجمی نانوذرات اکسیدروی:پلی‌آنیلین بدست آمدند که با ضخامت ۱۸۰ نانومتر در دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد بازپخت شده بودند .یکی از پارامترهای مهم برای دست‌یابی به کارکرد بهینه‌ی سلول موردنظر، مدت زمان مخلوط کردن نانوذرات با پلی‌آنیلین بوده و بهترین نتایج به ازای مخلوط کردن فوری) ۵ ثانیه (این دو مولفه بدست آمده است .در نهایت لایه‌ی فعالی برای کاربردهای سلول‌های خورشیدی هیبریدی با ترکیب محلول پلی‌آنیلین و نانوذرات کلوئیدی اکسیدروی با شرایط بهینه‌ی فوق معرفی شده است .سرانجام اثر پلاسما بر روی لایه‌ی فعال به عنوان پیش‌فرضی برای بهبود کارکرد سلول، مورد بررسی واقع شده است .نتایج حاکی از آن است که پاسخ نوری و توپولوژیکی لایه‌ی فعال متشکل از نانوذرات اکسیدروی:پلی آنیلین با تیمار پلاسمایی در خلا تغییر پیدا می‌کند .ویژگی‌های فوتوولتایی لایه‌ی فعال به مدت زمان پلاسمادهی لایه‌ها بستگی دارد .منشاء این اثرات با طیف جذبیVis.- UV، اثر هال و تصاویر AFM واکاویده شده است .نتایج حاصل، وابستگی زمانی Voc و Jsc را به زمان تیمار پلاسمایی نشان می‌دهند .تیمار بیشتر از ۲ دقیقه به کاهش Voc و Jsc منجر می‌شود .چگالی حامل‌های بار و ضرایب جذب لایه‌ی فعال به بیشینه مقادیر خود در حدود ۲ دقیقه پلاسمادهی می‌رسند و پلی‌آنیلین نقش اصلی در این اثرات ایفا می‌کند .زبری سطحی لایه‌ی فعال به زمان تیمار حساس بوده و افزایش زمان تیمار به افزایش زبری می‌انجامد .به ویژه برای زمان‌های تیمار زیاد) بیشتر از ۵ دقیقه (زبری سطح بالایی مشاهده می‌شود که می‌تواند به اثر خوردگی پلاسمایی نسبت داده شود که موجب افت ویژگی‌های اپتوالکترونی لایه‌ی فعال شده است
Electricity generation via photovoltaic from solar cells is a counterpart to human photosynthesis. Any long-term energy source must be based on solar energy, so using photovoltaic energy is essential. In recent decades, third generation solar cells have been recognized as one of the sources of energy. This generation of cells is a leading category in solar cell research due to its low cost, lightness and flexibility. Among the third generation cells, bulk hybrid solar cells enjoy the benefits of organic matter such as low density, flexibility and affordability, while utilizing the unique properties of nanostructured inorganic materials. In the meantime, metal oxides are synthesized in the form of nanostructures, such as nanoparticles, nanomaterials, tetrapods, and various other forms to create optimal paths for charge transfer and on the other hand possess special electron properties such as high electron mobility. Among the types of metal oxides used for these cells, zinc oxide has attracted particular attention because of its properties such as non-toxicity, cheapness, mechanical-thermal stability and easy synthesis in different morphologies. On the other hand, polyaniline is one of the oldest conjugated polymers with good optical and electron properties. In addition, it is easy to make large layers of this material. With these features in mind, this project introduces a straightforward, active layer in which the zinc oxide nanoparticles are used as acceptor and the emeraldine polyaniline as donor part. In order to optimize this active layer, the effect of various parameters such as the concentration of raw materials in the solvents, the volume ratio of the active material on the active layer, the annealing temperature, the thickness of the active layer and the mixing time of the two materials on cell function have been investigated. The layers were subjected to tests such as UV-Vis spectroscopy, Energy-dispersive X-ray (EDX) spectroscopy, field-effect scanning electron microscopy (FESEM), and current-voltage (IV) characterization for a variety of active layers. The results show that with increasing the content of zinc oxide nanoparticles in the mixture of zinc oxide nanoparticles: polyaniline, Voc and Jsc gradually increase to their optimum values of 220 mV and 22 A / cm2, respectively. The optimum values of Voc and Jsc were obtained for a 1:2 volume ratio (oxidized nanoparticles: polyaniline), which were 180 nm in thickness at 100 C annealing temprature. One of the important parameters for achieving optimum cell performance is the mixing time of the nanoparticles with polyaniline and the best results are obtained for the minimum mixing time of these two components. Finally, the active layer is introduced for hybrid solar cell applications by combining polyaniline solution and zinc oxide colloidal nanoparticles with optimal conditions. Ultimately, the effect of plasma on the active layer as a presumption to improve cell function has been investigated. The results indicate that the optical and topological response of the active layer consisting of zinc oxide nanoparticles: polyaniline is changed by vacuum plasma treatment. The photovoltaic properties of the active layer depend on the time the layers are plated. The origin of these effects is traced back to UV-Vis., Hall effect and AFM images. The results show the time dependence of Voc and Jsc on the plasma treatment time. Treatment for more than 2 minutes resulted in a decrease in Voc and Jsc. The density of charge carriers and the absorption coefficients of the active layer reach their maximum values in about 2 minutes, and polyaniline plays a major role in these effects. The surface roughness of the active layer is sensitive to the treatment time and increasing the treatment time increases the roughness. Particularly for high treatment times (more than 5 minutes) a high surface roughness is observed which can be attributed to the plasma etching effect.
Studying the physical properties of bulk hybrid solar cells consisting of ZnO nanostructures and conjugated polymers
زینال وند فرزین، بهنام
Zeinalvand Farzin, Behnam
پرهیزکار، مجتبی، استاد راهنما
بیدادی، حسن، استاد راهنما
عباسی، فرهنگ، استاد مشاور
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
