۲۳۳۹۰پ
per
بهبود کارایی سلولهای خورشیدی هیبریدی پلیمری با استفاده از نانوساختارهای کربن به همراه نانو اکسیدهای فلزی
Improvement of hybrid polymer solar cells using carbon nanostructures with metal nanooxide
/پریا یاردانی سفیدی
: شیمی
، ۱۳۹۹
، کبیری
۱۶۵ص
چاپی - الکترونیکی
دکتری
شیمی فیزیک
۱۳۹۹/۰۶/۱۹
تبریز
توسعه ترکیبات نیم‌رسانای پلیمری هیبریدی به عنوان ماده فعال در سلولهای خورشیدی و به عنوان فوتوالکتروکاتالیست در شکافت فوتوالکتروشیمیایی آب، یکی از مهمترین زمینه‌های پژوهشی در حوزه انرژی و محیط زیست محسوب می‌شود .در این راستا، سنتز نانوکامپوزیت‌های پلیمری نوین با مورفولوژی متنوع و کارآیی بالا به هدف بهبود بازده و پایداری سلولهای خورشیدی پلیمری هیبریدی و شکافت فوتوالکتروشیمیایی آب توجه بسیاری از محققان و پژوهشگران را به خود اختصاص داده است .در پژوهش حاضر، نانوکامپوزیت‌های پلی‌آنیلین دوپه شده با کامفورسولفونیک اسید (CSA PANI) با تنگستن اکسید (WO۳) و آهن (III) اکسید) - Fe۲O۳)به همراه نانولوله‌های کربنی چند دیواره(MWCNT) ، اکسید گرافن احیا شده (rGO) و (۶ و۶)- فنیل-C۶۱ - بوتیریک اسید متیل استر (PC۶۱BM) از طریق پلیمریزاسیون اکسایشی درجا سنتز شده و با استفاده از طیف‌سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه(FTIR) ، طیف سنجی رامان، پراش پرتو ایکس(XRD) ، میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی(FESEM) ، طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس(EDX) ، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) شناسایی شدند .رفتار نوری کامپوزیت‌های پلی‌آنیلین- اکسید فلزی- نانوساختار کربنی با استفاده از اسپکتروفوتومتری فرابنفش- مرئیVis) - (UVمورد مطالعه قرار گرفته و گاف انرژی مربوطه محاسبه گردید .رفتار فوتوالکتروشیمیایی نانوکامپوزیت‌های سنتز شده با استفاده از ولتامتری روبشی خطی(LSV) ، طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) و تست مات - شاتکی (MS) به صورت سه الکترودی در شکافت آب مورد بررسی قرار گرفتند .ترکیبات سنتز شده به عنوان لایه فعال در سلولهای خورشیدی پلیمری هیبریدی به کار رفته و خواص فوتوولتایی آنها به صورت دو الکترودی با ساختار]اکسید قلع دوپه شده با ایندیوم (ITO) به عنوان فوتوآند /پلی‌اتیلن دی‌اکسی تیوفن :پلی‌استایرن سولفونات (PEDOT:PSS) به عنوان لایه انتقال‌دهنده حفره /کامپوزیت‌های پلی‌آنیلین- اکسید فلزی- نانوساختار کربنی به عنوان لایه فعال /(نقره (Ag) به عنوان کاتد [با استفاده از منحنی‌های شدت جریان- ولتاژV) - (Iو به دست آوردن پارامترهای مربوطه از قبیل ولتاژ مدار باز(Voc) ، دانسیته جریان اتصال کوتاه (Jsc) ، فاکتور پرشدگی(FF) ، بازده تبدیل توان (PCE) و EIS مطالعه شدند .نتایج به دست آمده از مطالعات سه الکترودی نشان دادند که کامپوزیت‌های پلی‌آنیلین- آهن (III) اکسید - نانوساختارهای کربنی، دانسیته جریان نوری ، راندمان تبدیل فوتون به جریان تحت بایاس اعمالی (ABPE) بزرگتر و مقاومت انتقال بار (Rct) کوچکتری نسبت به کامپوزیت‌های پلی‌آنیلین- تنگستن اکسید - نانوساختارهای کربنی دارند زیرا پاسخ نوری و قابلیت جذب نور کامپوزیت‌های پلی‌آنیلین- آهن (III) اکسید - نانوساختارهای کربنی بیشتر بوده که سبب بهبود عملکرد فوتوالکتروکاتالیستی آنها می‌گردد .همچنین ملاحظه می‌شود که رفتار فوتوالکتروشیمیایی ترکیبات در حضور نانوساختارهای کربن بهبود یافته است .نانوساختارهای کربنی به عنوان بستر رسانا برای تفکیک و انتقال بار مؤثر در فصل مشترک الکترود/الکترولیت عمل می‌کنند .بنابراین اثر هم‌افزایی خوبی بین نانوذرات اکسید فلزی، CSA PANI و نانوساختارهای کربن در اکسیداسیون فوتوالکتروشیمیایی آب وجود دارد .مابین نانوکامپوزیت‌های مورد مطالعه،PCBM -Fe- CSA PANIدارای بزرگترین دانسیته نوری (mA/cm۲ ۵۴/۲) و ABPE ( ۴۴/۰) می‌باشد .زیرا میزان تحرک حاملین بار در PC۶۱BM در مقایسه با نانولوله‌های کربنی چند دیواره و گرافن اکسید احیا شده بیشتر است .عملکرد فوتوولتایی و پایداری سلولهای خورشیدی با لایه فعال حاوی کامپوزیت‌های پلی‌آنیلین- آهن (III) اکسید - نانوساختارهای کربنی در مقایسه با سلولهای خورشیدی با لایه فعال حاوی کامپوزیت‌های پلی‌آنیلین- تنگستن اکسید - نانوساختارهای کربنی بهتر است .بهترینJsc (mA/cm۲ ۵۹/۴) ،Voc (V ۸۶۲/۰) ، FF (۵۲۴/۰) و PCE ( ۰۷۵/۲) به سلول خورشیدی پلیمری هیبریدی با ساختارPCBM/Ag -Fe- ITO/PEDOT:PSS/CSA PANIمربوط می‌شود
Developing the polymer hybrid semiconductor compounds as the active material in solar cell and as the photoelectrocatalyst in photoelectrochemical water splitting is one of the important research issues in energy and environmemt fields. In this regard, synthesis of novel polymeric nanocomposites with various morphology and high performance for improving yield and stability of polymer hybrid solar cells and photoelectrochemical water splitting attracted a lot of researchers attention. In this project, camphor sulfonic acid doped polyaniline (CSA PANI) nanocomposites with tungsten oxide (WO3), iron (III) oxides (-Fe2O3) and multiwall carbon nanotube (MWCNT), reduced graphene oxide (rGO), (6,6)- Phenyl C61 butyric acid methyl ester (PC61BM) were synthesized using in situ oxidative polymerization and characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), Field emission scanning electron microscopy (FESEM), EnergyDispersive Spectroscopy (EDS), Transmission electron microscopy (TEM), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Optical behavior of polyaniline- metal oxid- carbon nanostructure composites was investigated by UV-Vis spectrophotometry and related band gaps were calculated. Photoelectrochemical behavior of synthesized nanocomposites were studied by linear sweep voltammetry (LSV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and mott-schottky (MS) test with three-electrode set-up in water splitting. The synthesized compounds were used as the active layer in polymer hybrid solar cells and their photovoltaic properties were evaluated as two-electrode set-up with [indium doped tin oxide (ITO) as photoanode/ poly (3,4 -ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) as hole transport layer/ polyaniline-metal oxide-carbon nanostructures as active layer/ Ag as cathode] structure by current-voltage (I-V) curves obtaining parameters such as open circuit volatage (Voc), short circuit current density (Jsc), fill factor (FF), power conversion efficiency (PCE) and EIS. Three-electrode studies showed that polyaniline- iron (III) oxide-carbon nanostructures composites has higher applied bias photo-to-current efficiency (ABPE) and lower charge transfer resistance (Rct) compared to polyaniline- tungsten oxide-carbon nanostructures composites. Because optical response and light absorption capability of polyaniline- iron (III) oxide-carbon nanostructures composites were high which resulted in photoelectrocatalytic performanceimprovement. It is also considered that photoelectrochemical behavior of compounds improved in the presence of carbon nanostructures. Carbon nanostructures act as conductive substrate for separation and transferring charge in the electrode/electrolyte interface. Therefore, appropriate synergistic effect was between metal oxide nanoparticles, CSA PANI, and carbon nanostructures in photoelectrochemical water oxidation. Among studied nanocomposites, CSA PANI-Fe-PCBM has the highest photocurrent density (2.54 mA/cm2) and ABPE (0.44 ). Because the charge carriers mobility is high in PC61BM in comparison with multiwall carbon nanotube and reduced graphene oxide. Photovoltaic and stability performances of solar cells with active layer containing polyaniline- iron (III) oxide-carbon nanostructures composites were better than solar cells with active layer containing polyaniline- tungsten oxide-carbon nanostructures composites. The best Jsc (4.59 mA/cm2), Voc (0.862 V), FF (0.524) and PCE (2.075 ) obtained for polymer hybrid solar cell with ITO/PEDOT: PSS/CSA PANI-Fe-PCBM/Ag structure
Improvement of hybrid polymer solar cells using carbon nanostructures with metal nanooxide
یاردانی سفیدی، پریا
Yardani Sefidi, Pariya
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
