پ پ

سلول های خورشیدی پلیمری

پلیمرهای مزدوج (Conjugated Polymers) اخیرا به دلیل قابلیت های کاربردیشان در ابزارهای الکترونیکی انعطاف پذیر از قبیل دیودهای نشر نور (LEDs)، سلول های خورشیدی پلیمری و ترانزیستورهای لایه نازک آلی و همچنین فراوری در محلول و قیمت ارزان آنها مورد توجه ویژه قرارگرفته اند. ضخامت لایه فعال در سلول های خورشیدی آلی پلیمری ۱۰۰nm می باشد که این مقدار تقریبا ۱۰۰۰ مرتبه نازکتر از سلول های خورشیدی سیلیکون کریستالی و ۱۰ مرتبه نازک تر از فیلم های معدنی است. با این حال این نوع از سلول های خورشیدی در مقایسه با سلول های معدنی کارایی ۲ تا ۳ مرتبه کمتری را دارا می باشد. به همین دلیل، جهت افزایش و بهبود قابلیت این سلول های پلیمری تاکنون مواد نیمه هادی بسیاری تهیه شده اند اما دانشمندان برای ساخت ماده ایده آل در این زمینه تلاش گسترده ای را دنبال می کنند.

۱- مقدمه

در منابع مختلف انواع گوناگونی از تقسیم بندی ها در زمینه سلول های خورشیدی دیده می شود. سلول های خورشیدی را از نظر فناوری ساخت می توان به سه دسته تقسیم کرد، که سلول های خورشیدی آلی یکی از این موارد است [۱]. دراین قسمت سلول های خورشیدی برپایه مواد آلی که جز نسل سوم سلول های خورشیدی هستند مورد بررسی قرار می گیرد.

۱-۱- سلول های خورشیدی بر پایه نیمه رساناهای آلی

جدیدترین گروه سلول های خورشیدی شامل ملکول های کوچک، اجزاء پلیمری و هیبرید آلی /معدنی می باشند. با وجود مقدار کارایی کم بدست آمده (% ۵٫۱۵ = ηe)( ηe: Energy Conversion Efficiency) و مشکلات پایداری، این نوع از سلول های خورشیدی مزیت های متعددی از قبیل فراوری آسان، انعطاف پذیری، سبک وزنی و هزینه ساخت کم را دارا می باشند [۲].

۱-۲- نمونه هایی از سلول های خورشیدی مبتنی بر مواد آلی
انواعی از سلول های خورشیدی مبتنی بر مواد آلی شامل:
• سلول های خورشیدی حساس شده با رنگ
• سلول های خورشیدی پلیمری
• سلول های خورشیدی مبتنی بر بلورهای مایع (Liquid Crystals) می باشند (شکل۱).

سلول های خورشیدی پلیمری
شکل۱- (الف) شمای سلول خورشیدی حساس شده با رنگ، (ب) ساختار ایده آل ابزار خورشیدی پایه بلور مایع

۱-۲-۱ – سلول های خورشیدی پلیمری

از ویژگی های بارز سلول های خورشیدی می توان به مواردی مانند: هزینه کم، وزن سبک و ساخت راحت اشاره نمود. اما آنچه بر اهمیت آنها می افزاید، قابلیت حل شدن مواد مورد استفاده در حلال های آلی می باشد که تهیه سلول های خورشیدی انعطاف پذیری را امکان پذیر می سازد.

۱-۳- مقایسه سلول های فتوولتاییک آلی و معدنی

فنآوری فتوولتاییک باید پایدار، کارا و کم هزینه باشد. فتوولتاییک سیلیکون بلوری خیلی پایدار و طول عمر موثر تخمینی بالغ بر ۲۵ سال و کارایی تبدیل انرژی ۲۰% را دارد. با این حال فتوولتاییک پلیمری در این زمینه ارزش و قابلیت خود را در مقایسه با سلول ‏های سیلیکونی به خوبی نشان داده و در جایی که فن‏آوری فتوولتاییک معدنی عملکرد موفقی به همراه نداشته است (مانند: هزینه، سازگاری با محیط زیست و تهیه‏ سخت) به عنوان فنآوری مکمل مناسب برای سلول های خورشیدی سیلیکونی مورد استفاده قرار می ‏گیرد. این در حالی است که سلول های فتوولتاییک آلی پایداری و بازده کمی را از خود نشان می‏ دهند (جدول ۱) [۳].
جدول۱- مقایسه سلول های فتوولتاییک آلی و معدنی [۳]
سلول های خورشیدی پلیمری
– اجزای سلول های خورشیدی آلی
اجزاء معمول تشکیل دهنده سلول های خورشیدی آلی درشکل زیر آمده است (شکل۲) :
۱) شیشه
۲) ماده شفاف رسانا مثل (Indium-Tin Oxide, ITO)
۳) پلیمر شفاف هادی مثل PEDOT:PSS
۴) لایه فعال
۵) لایه متصل کننده
۶) فلز

سلول های خورشیدی پلیمری
شکل ۲- اجزای سلول های خورشیدی آلی [۴]
پلیمرهای مزدوج زیادی به عنوان ماده فعال برای سلول های خورشیدی مورد امتحان قرار گرفتند. اما رایج ترین پلیمرهای مزدوج آلی عبارتند از: پلی (۳- هگزیل تیوفن) (P3HT)، پلی ‏(۳-متوکسی- ۵- (۲-اتیل‏هگزیل اکسی)-۱و۴-فنیلن وینیلن) (MEH-PPV) و پلی‏ (۲-متوکسی-۵-‏(۳و۷- دی متیل اکتیل اکسی)-۱و۴ فنیلن وینیلن) (MDMO-PPV) که دارای یک هسته پلی فنیلن وینیلن (PPV) مزدوج هستند (شکل۳). PPV به تنهایی ماده نامحلولی است و افزایش گروه های آلکیل یا آلکوکسی روی حلقه فنیلن در MDMO-PPV وMEH-PPV این مواد را فرایند پذیر و محلول در بعضی از حلال های آلی از قبیل کلروفرم، کلروبنزن یا ۱و ۲-دی کلروبنزن می کند [۳].
سلول های خورشیدی پلیمری
شکل۳- پلیمرهای مزدوج رایج به کار رفته در سلول های خورشیدی
مواد پلی تیوفنی دیگر که به طور وسیعی در سلول های خورشیدی آلی استفاده می شوند شامل PEDOT:PSS یا پلی (۳و ۴-اتیلن اکسی تیوفن) (پلی استیرن سولفونات) است. یک لایه نازک از PEDOT:PSS معمولا به عنوان مواد هادی حفره به طور مستقیم بالای الکترود (Indium Tin Oxide, ITO) به کار برده می شود [۳]. نمونه ‏هایی از پلی تیوفن ها که در سلول های خورشیدی استفاده می شوند در شکل ۴ نمایش داده شده است.
سلول های خورشیدی پلیمری
شکل۴-مواد پلی تیوفنی به کار رفته در سلول های خورشیدی

۲-۱ – پلیمرهای هادی

ایده استفاده از پلیمرها به جهت خواص رسانایی الکتریکی شان در سال ۱۹۷۷ با یافته هیگر(Hegger)، مک دی آرمید (Mcdiarmid) و شیراکاوا (Shirakawa) با کشف اینکه پلی استیلن ترانس دوپه شده (Dopped (دوپانت ‏های اکسیداسیونی پذیرنده الکترون یا دهنده الکترون هستند که به پلیمر افزوده شده و باعث رسانا شدن آنها می شوند)، رسانایی فلزی از خود نشان می دهد پدیدار شد [۵]. از آن موقع به بعد پلیمرهای رسانا به عنوان مواد جدیدی که خواص الکتریکی فلزات یا نیمه رساناها را با حفظ کردن خواص سودمند پلیمر نشان می دهند، معرفی شدند (شکل۵).
سلول های خورشیدی پلیمری
شکل۵- نمونه هایی از نیمه رساناهای آلی استفاده شده در سلول های خورشیدی پلیمری [۱۴]

مطالعات اخیر مشخص کرد که بزرگی گاف انرژی و موقعیت لبه های نوار رسانش و والانس فاکتورهای مهمی در کنترل خواص رسانایی پلیمر دارد.

۲-۱-۱- تئوری نوار (Band theory)

پلیمرهای رسانا از نظرمیزان رسانایی شان در دسته نیمه رساناها قرار می گیرند. بر طبق تئوری نوار، یک فلز دارای گاف انرژی صفر است چون نوار رسانش و ظرفیت با هم همپوشانی کرده و یک نوار تشکیل می دهند و حرکت حامل های بار (الکترون ها) به طور آزادانه در نوارهای جزئی پرشده منجر به رسانایی فلز می شود. از سوی دیگر انتقال الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش به خاطر گاف انرژی بالا، برای عایق ها امکان پذیر نمی باشد. در یک نیمه رسانا یک نوار ظرفیت پر شده و یک نوار رسانش خالی بوسیله گاف انرژی از هم جدا می شوند که در آنجا سطوح انرژی وجود ندارند. نوار رسانش نیمه رساناها به میزان کمی بوسیله الکترون های تحریک شده از طریق گرمایی یا فتوشیمیایی در دمای محیط اشغال می شود و این برانگیختگی حامل های بار، برای جریان بار الکتریکی در نیمه رساناها دردسترس خواهد بود (شکل۶)[۵].
سلول های خورشیدی پلیمری
شکل۶- مقایسه گاف انرژی بین عایق ها، نیمه رساناها و فلزات [۶]

۲-۱-۲- پلیمرهای گاف کوچک

گاف انرژی پلیمر (Eg) که تفاوت انرژی بین (LUMO=Lowest Unoccupied Molecular Orbital) و (Highest Occupied Molecular Orbital HOMO) است توسط عوامل متفاوتی کنترل می شود. پلیمرهای با گاف کوچک، پلیمرهایی تعریف می شوند که جذب نور با طول موج بالای ۶۰۰nm  را داشته باشند. پلیمرهای تجاری استفاده شده در فتوولتاییک آلی از قبیل MEH-PPV دارای جذبی است که تا طول موج ۵۵۰nm قابل گسترش است و P3HT که به طور معمول استفاده می شود دارای جذبی است که تا ۶۵۰nm گسترش می یابد. اگر از یک پلیمر با گاف انرژی پایین استفاده شود این عدم تطابق طیفی تقلیل می یابد که نشان از همپوشانی بهتر با طیف نشری خورشید دارد. به منظور بدست آوردن سلول خورشیدی با کارایی بالا یافتن مواد دهنده که محدوده جذب نوری و همپوشانی بهتر با نور خورشید دارند (دارای گاف انرژی پایین) ضروری می باشد. گاف انرژی می تواند عملا برای تعیین انرژی که می توان از سلول بدست آورد استفاده شود [۳].

۲-۱-۳- طراحی پلیمرهای با گاف انرژی کوچک

همانطورکه گفته شد فاکتورهای متعددی روی گاف انرژی پلیمرها موثر است برای مثال: طول مزدوج شدگی، تناوب طول پیوند، انتقال بار درون زنجیری، برهمکنش های بین مولکولی، آروماتیسیته (Aromaticity)، و استخلاف ها. یک ادغام از بخش های غنی از الکترون (دهنده) و دارای کمبود الکترون (گیرنده) در زنجیر پلیمر، روش خیلی موفق جهت سنتز پلیمرهای با گاف انرژی پایین می باشد. این تناوب در زنجیر اصلی پلیمر منجر به انتقال بار درون ملکولی (ICT= Intra Molecular Charge Transport) از دهنده به گیرنده شده و نوار جذبی در انرژی کمتر را منجر می شود. منطق پشت مفهوم دهنده- گیرنده-دهنده این است که HOMO بالای دهنده و LUMO پایین گیرنده در پلیمر حاصل، ادغام می شوند و بنابراین در ساختار الکترونیکی پلیمر خصلت پیوند دوگانه افزایش و منجر به گسترش نوارهای رسانش و هدایت و القاء گاف انرژی پایین می شوند [۶].

۳- رسانایی در مواد آلی  π – مزدوج

مکانیسم رسانایی در پلیمرهای مزدوج بر پایه وجود حامل های بار مثبت یا منفی وحرکت این حامل های بار در طول زنجیر اصلی زنجیر پلیمر است. حامل های بار مثبت یا منفی از طریق فرایند اکسیداسیون یا کاهش در زنجیر اصلی پلیمرایجاد می شوند.

۴- مواد گیرنده – (ACCEPTOR)

گیرنده  یا پذیرنده های الکترون (Acceptors) می توانند پلیمر یا مولکولی کوچک باشند (شکل۷). مواد گیرنده الکترون با الکترونخواهی بالا (Electron Affinity) شامل C60 ومشتقات محلول آن می باشند. فولرن ها به دلیل الکترونخواهی بالا و توانایی انتقال کارای بار، گیرنده های پرکاربردی هستند و در واقع بهترین گیرنده های الکترونی که تاکنون شناخته شده اند، می باشند. مشتقات فولرن با حلالیت خوب برای این منظور استفاده می شوند و PCBM یک مشتق متانوفولرن با حلالیت بالاست ((۶و۶)- ( فنیل-C61– بوتریک اسید متیل استر). همچنین قابل ذکر است که افزایش گیرندگی الکترون در فولرن، بهبودی بیشتری را در کارایی ابزار حاصل می کند.
سلول های خورشیدی پلیمری
شکل۷- تعدادی از گیرنده های رایج (الف)گیرنده پلیمری (ب)گیرنده مولکولی کوچک[۷]


۵- انواع معماری ها (اتصالات) در سلول های خورشیدی آلی
۵- ۱  سلول های فتوولتاییک آلی تک لایه

سلول های فتوولتاییک تک لایه ساده ترین صورت را در بین سلول های فتوولتاییک مختلف دارند. این سلول ها با ساندویچ کردن یک لایه از مواد فتوالکترونیکی آلی بین دو رسانای فلزی که معمولا یک لایه از ایندیم قلع اکسید (ITO) با تابع کار بالا با یک لایه از فلزات با تابع کار پایین مانند Ca ،Mg،Al است ساخته می شوند (شکل۸). تفاوت تابع کار بین دو رسانا، یک میدان الکتریکی را در لایه آلی راه اندازی می کند. موقعی که یک لایه آلی، نور را جذب می کند الکترون ها به اوربیتال LUMO برانگیخته شده، و تشکیل اکسایتون (Exciton)- (مترادف حفره-الکترون) می کنند. میدان الکتریکی مسئول جدایی پیوندهای الکتروستاتیک اکسایتون ها بوده که منجربه کشیدن الکترون به سمت الکترود مثبت و حفره ها به سمت الکترود منفی می شود که جریان و ولتاژ حاصل شده از این فرایند می تواند جهت انجام کار استفاده شود [۸].

۵- ۲ – سلول های فتوولتاییک آلی دولایه

این نوع از سلول های خورشیدی فتوولتاییک شامل دو لایه متفاوت بین الکترودهای هادی می باشند (شکل۸). این دو لایه از مواد دارای الکترونخواهی و انرژی یونیزاسیون متفاوت می باشند و بنابرین نیروی الکتروستاتیکی در سطح مشترک بین دو لایه ایجاد می شود و بنابراین این میدان های الکتریکی محلی هر چه بزرگتر باشند امکان گسست اکسایتون ها را نسبت به سلول های فتوولتاییک تک لایه فراهم می کنند. لایه با الکترونخواهی و پتانسیل یونیزاسیون بالا به عنوان گیرنده الکترون و لایه دیگر دهنده الکترون می باشد. این ساختار به اتصالات نامتقارن دهنده- گیرنده مسطح نیز معروف است. یک لایه پلیمری، به ضخامت حد اقل ۱۰۰nm جهت جذب نور کافی نیازمند است و در چنین ضخامت بزرگی فقط بخش کمی از اکسیتون ها می توانند به سطح مشترک دو لایه برسند [۹]. برای رفع این مشکل نوع جدیدی از سلول های فتوولتاییک با اتصالات نامتقارن طراحی شدند که به سلول های فتوولتاییک با اتصالات نامتقارن پخش شده (توده) موسومند.

۵- ۳ -سلول های فتوولتاییک با اتصالات ناهمگن توده‏ ای

در این نوع سلول ها، الکترون گیرنده و الکترون دهنده با هم مخلوط شده و تشکیل یک آلیاژ می دهند (شکل۸). اگر اندازه طول جدایی فاز مشابه طول نفوذ اکسایتون (۱۰۰nm) باشد بیشترین مقدار اکسایتون های تولید شده امکان رسیدن به سطح مشترک را دارند که به این ترتیب اکسایتون ها به طور کارایی گسست می یابند والکترون ها به طرف ناحیه گیرنده الکترون حرکت کرده و سپس در الکترود مربوطه انباشته می شوند و حفره ها در مسیر مخالف کشیده شده و در الکترود مقابل جمع می شوند. این نوع پیکربندی باعث افزایش مساحت بین سطحی فاز دهنده و گیرنده و در نتیجه منجر به بهبود کارایی سلول فتوولتاییک می شود [۱۰].
سلول های خورشیدی پلیمری
شکل۸- (الف) اجزاءتشکیل دهنده سلول های خورشیدی، (ب) دو لایه ای، (ج) اتصالات ناهمگن توده ‏ای [۷].
۶- انواع سلول های خورشیدی بر پایه لایه های با اتصالات ناهمگن
۱-۶- سلول های خورشیدی بر پایه پلیمر/ PCBM

یکی از روش های بدست آوردن جدایی کارای بار در جاذب نور پلیمری، مخلوط کردن آنها با گیرنده های مناسب است. یکی از امید بخش ترین وکاراترین ابزارها که بیشترین مطالعات تاکنون روی آن صورت گرفته برپایه روش اتصالات ناهمگن توده‏ ای، آمیزه ‏های مواد کامپوزیت پلیمر/ فولرین است که در آن نیمه رساناهای پلیمری به عنوان دهنده و فولرن (مشتقات C60) به عنوان گیرنده می‏ باشند و در آن ملکول‏ های فولرن در یک پلیمر با یک حلال واسطه پخش می‏ شود و به تبادل الکترون برای تولید الکتریسیته می پردازند. سپس فیلم فعال نوری نازک بین دو الکترود با تابع کارهای نامساوی قرار می گیرد. همانطور که گفته شد اتصالات ناهمگن توده ‏ای پلیمرمزدوج-PCBM در حال حاضر بهترین سلول PV بر پایه پلیمرمزدوج می باشد (شکل۹)[۱۱].
سلول های خورشیدی پلیمری
شکل۹- پلیمرمزدوج-PCBM

۲-۶- سلول های خورشیدی برمبنای پلیمر/پلیمر

سلول های خورشیدی با اتصالات ناهمگن توده ‏ای، پلیمر/ پلیمر دارای بازده های به طور قابل ملاحظه کم هستند و کمتر مورد توجه قرار گرفته شده اند، اگرچه پتانسیل کاربری در سیستم های فتوولتاییک بزرگ مقیاس وارزان را دارند. اتصالات ناهمگن توده ‏ای دو پلیمر مزدوج دارای مزیت های متعددی است. در یک مخلوط پلیمر مزدوج هر دو جزء ضریب جذب نوری بالایی را نشان می دهند و بخش های مکمل طیف خورشیدی را پوشش می دهند و به طور نسبی تنظیم و سازگار کردن وبهینه سازی هر کدام از اجزاء آسان است (شکل۱۰) [۱۱].
سلول های خورشیدی پلیمری
شکل۱۰- ساختار پلیمرهای آلی به کار رفته در سلول های خورشیدی

۳-۶- سلول های خورشیدی بر پایه پلیمرهای دهنده- گیرنده (دو کابلی)

اتصال شیمیایی بخش های گیرنده الکترون به طور مستقیم به زنجیره اصلی پلیمر دهنده از جدایی فاز جلوگیری می کند (شکل۱۱). الکترون هایی که بوسیله انتقالات تحریک شده ایجاد می شوند بوسیله جهیدن بین بخش های گیرنده آویزان، انتقال یافته و به حفره باقیمانده در زنجیره پلیمر اجازه انتقال بار مثبت را می دهند [۱۱].
سلول های خورشیدی پلیمری
شکل۱۱- شماتیک پلیمرهای دوکابلی[۱۵].
کارایی چنین ابزارهایی کم است و این احتمالا بدلیل بازترکیبی سریع یا انتقال بار بین زنجیری غیر کارای آن باشد.

۴-۶- سلول های خورشیدی هیبریدی

یک سلول خورشیدی هیبریدی شامل ادغام دو ماده نیمه رسانای آلی و معدنی است. در واقع ادغامی از خواص منحصر به فرد نیمه رساناهای معدنی با خواص فیلم ساختی پلیمرهای مزدوج می باشد که شامل مواد آلی یا پلیمرهای مزدوج که نور را جذب و به عنوان الکترون دهنده و انتقال دهنده حفره عمل می کنند و مواد معدنی که در این نوع سلول ها به عنوان الکترون گیرنده  و انتقال دهنده الکترون ها استفاده می شوند. راهکار موثر برای ساخت سلول های خورشیدی هیبریدی استفاده از مخلوط هایی از نانو ذره ها با پلیمرهای نیمه رسانا به صورت اتصالات ناهمگن توده ‏ای است [۱۱].

۷- نحوه عملکرد سلول های خورشیدی پلیمری
فرایند تبدیل نور به الکتریسیته بوسیله سلول خورشیدی آلی به طور شماتیک به صورت مراحل زیر توصیف می شود:
۱) جذب فتون (Photon) که منجر به یک حالت نور تحریکی می شود.
۲) تولید یک جفت حفره -الکترون (اکسایتون).
۳) جدایی بار با نفوذ اکسایتون به ناحیه هایی که در آنجا تفکیک می شود.
۴) انتقال بار از درون نیمه هادی  به الکترودهای مربوطه (شکل۱۲) [۱۲].

به دلیل گاف انرژی بالا در مواد آلی فقط بخش کوچکی از نور خورشیدی تابش شده جذب می شود. طول نفوذ اکسایتون باید از نظر بزرگی هم اندازه با طول جدایی فاز دهنده- گیرنده باشد. در غیر این صورت متلاشی شدن اکسایتون ها از طریق مسیرهای تابشی یا غیر تابشی قبل از رسیدن به سطح مشترک اتفاق می افتد. طول نفوذ اکسایتون ها در نیمه رساناهای آلی و پلیمرها معمولا حدود ۱۰ تا ۲۰ نانومتر است. مخلوط کردن پلیمرهای مزدوج با الکترون گیرنده هایی مانند فولرن ها یک روش خیلی کارا جهت شکافت اکسیتون های نور تحریکی به حامل های بار آزاد است. مطالعات نور فیزیکی نشان داده است که انتقال بار نور تحریکی در چنین مخلوط هایی خیلی سریعتر از فرایندهای آسایشی رقیب خواهد بود [۱۳].
سلول های خورشیدی پلیمری
شکل۱۲- مکانیسم کار، برای سلول خورشیدی پلیمری با اتصالات نامتقارن دهنده –گیرنده [۷].
سلول های خورشیدی پلیمری
شکل۱۳- مکانیسم انتقال الکترن و حفره [۱۶].

۸- نتیجه گیری

از بین انواع متفاوت سلول های خورشیدی، سلول های خورشیدی آلی به دلیل مزایایی هم چون انعطاف پذیری، ارزان بودن و … توجه زیادی را به خود جلب کرده اند.از مهمترین اجزا سلول های خورشیدی آلی مواد دهنده و گیرنده آن است که از مهمترین مواد دهنده می توان به پلیمرهای هادی چون (MEH-PPV) و از مواد گیرنده به مشتقات فولرن اشاره کرد. از بین روش های متفاوت اتصالات در سلول های خورشیدی روش اتصالات ناهمگن توده ‏ای (Bulk Heterojunction) به دلیل افزایش سطح تماس گیرنده و دهنده و راحت تر شدن انتقال الکترون بهترین است. تلاش هایی که اخیرا انجام شده برای تهیه گیرنده های الکترونی است که تحرک الکترونی بالایی دارند و بتوانند به جای مشتقات فولرن که گران قیمت هستند، استفاده شوند.
منبع : edu.nano.ir

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

شاید این مطالب را هم دوست داشته باشید