دانشکده خواجه نصیرالدین طوسی 

دانشکده فیزیک

پایان‌نامه دوره کارشناسی ارشد فیزیک-حالت جامد

 ساخت و مشخصه یابی سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی کادمیم سولفید با استفاده از کاتد گرافن

استاد راهنما:

دکتر محمود صمدپور

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

در این تحقیق به ساخت ومشخصهیابی سلولهای خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی کادمیوم سولفید و کادمیوم سلنید با استفاده از کاتدهای مختلف از جمله مس سولفید و سرب سولفید و کاتدهای نانوکامپوزیتی با پوششهای پیدرپی از این دو ماده پرداخته میشود. در این پایان نامه به دنبال بهینه کردن مشخصات فوتوولتایی این سلولها بوده  با توجه به پایین بودن فاکتور کارکرد در این سلولها و بررسی عوامل بازترکیب با توجه به آنالیز امپدانس الکتروشیمیایی این سلولها ، با معرفی کاتدهای مؤثر به دنبال افزایش این مشخصه میباشیم. با بهرهگیری از ساختارهای پیدرپی و ترکیبی مس سولفید و سرب سولفید که به روش سیلار لایه نشانی شدند بازدهی این سلولها تا بیش از 3 برابر نسبت به سلولهایی که کاتد آنها مس سولفید یا سرب سولفید است افزایش یافته است یعنی 63/3 % در مقابل 4/0 % و 48/1 %. همچنین فاکتور کارکرد در کاتدهای نانوکامپوزیتی مس سولفید/سرب سولفید/…/مس سولفید/سرب سولفید 2 برابر شده است یعنی 49/0 در مقابل 26/0. به علاوه با بررسی خواص فوتوولتائیک سلولهای خورشیدی به تحلیل کارکرد کاتد گرافن در این سلولها میپردازیم. در این تحقیق از صفحات گرافنی به دلیل دارا بودن ساختار دو بعدی و سطح مؤثر بالا و همچنین رسانایی الکتریکی مناسب و ترکیب آن با مس سولفید/سرب سولفید به منظور افزایش خواص فوتوولتائیک و بازدهی سلولها استفاده شده است. در این جا گرافن به دلیل سطح مؤثر زیادی که فراهم میکند در کاتدهای ترکیبی به عنوان بستری مناسب برای لایهنشانی مس سولفید و سرب سولفید بر روی آن به کار گرفته شده است و بازدهی را از 54/2 % تا 21/3 % افزایش داده است.  

کلید واژه: سلول خورشیدی، نقاط کوانتومی، نانو کامپوزیت ، سیلار ، گرافن

فهرست مطالب

عنوان                          صفحه

فهرست جدول‌ها ‌د

فهرست شکل‌‌ها ‌ه

پیشگفتار.. 1

فصل 1- مقدمه و سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگدانه. 3

1-1-     مقدمه.. ………………………..3

1-2-     سلول های خورشیدی رنگدانه ای و ساختار کلی آن ها 5

1-2-1-فتوآند……. 6

1-2-2-الکترولیت اکسایشی – کاهشی.. 7

1-2-3-الکترود کاتد. 8

1-2-4-مکانیسم انتقال بار در سلولهای حساس شده با رنگدانه. 8

1-2-5- فرآیند های تزریق، انتقال و بازترکیب در سلولهای رنگدانهای.. 9

1-3-     نتیجهگیری.. 10

فصل 2-   سلولهای خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی و مروری بر پیشینه تحقیقات……….. 12

2-1-     مقدمه.. 12

2-2-      مفهوم نقاط کوانتومی.. 12

2-3-      عوامل کاهش بازده در سلولهی خورشیدی تک پیوند. 13

2-4-      رویکردهای متفاوت با بهره گرفتن از ویژگیهای نقاط کوانتومی در طراحیQDSSCs 13

2-4-1-تنظیم گاف انرژی در نقاط کوانتومی.. 14

2-4-2-اثر حاملهای داغ. 15

2-4-3-تولید چندین جفت الکترون-حفره (اکسایتون) 17

2-4-4-سلولهای خورشیدی با نوار میانی.. 18

2-5-     سلولهای خورشیدی بر پایهی نقاط کوانتومی (QDSSCs) 19

2-5-1-ساختار و اصول عملکرد سلول های خورشیدی بر پایهی نقاط کوانتومی.. 20

2-5-2-اجزای مختلف سلول خورشیدی بر پایه نقاط کوانتومی.. 21

2-5-2-1-الکترود آند…………………………. 21

2-5-2-2-نقاط کوانتومی به عنوان حساس کننده و جاذب نور 22

2-5-2-3-الکترولیت اکسایشی کاهشی پلی سولفید. 24

2-5-2-4-الکترود مقابل…………………….. 25

2-5-3-برهمکنشهای انتقال و عبور الکترون-حفره در سلول های خورشیدی بر پایه نقاط کوانتومی.. 26

2-6-      مقایسهی سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگدانه و نقاط کوانتومی.. 28

2-6-1-تفاوتهای ساختاری  و زمان انتقال بار در DSSCs و SSSCs. 29

2-7-      مروری بر نقاط کوانتومی به کار برده شده در QDSSCs به عنوان حساس کننده 34

2-8-     مروری بر کاتدهای به کار برده شده در QDSSCs 37

2-9-     نتیجهگیری.. 38

فصل 3-  ساخت و  روش های مشخصه یابی سلول های حساس شده با نقاط کوانتومی.. 41

3-1-     مقدمه.. 41

3-2-     مواد و تجهیزات مورد نیاز 41

3-2-1-مواد اولیه  41

3-2-2-تجهیزات مورد استفاده در فرایند ساخت… 42

3-3-     ساختارکلی سلول های حساس شده با نقاط کوانتومی.. 43

3-3-1-آماده سازی فوتوآند. 44

3-3-1-1- شستشوی زیرلایه…….. 44

3-3-1-2-لایه نشانی خمیر نانوذرهای TiO₂  به روش دکتر بلید. 45

3-3-1-3-پخت حرارتی در کوره……….. 47

3-3-1-4-حساسسازی فوتوآند با نقاط کوانتومی کادمیوم سولفید به روش سیلار (SILAR) 47

3-3-1-5-ساخت نقاط کوانتومی CdSe  و حساسسازی آند به روش حمام شیمیایی(CBD) 49

3-3-2-آمادهسازی الکترود کاتد. 52

3-3-2-1-ساخت کاتد نوع اول از جنسCuS. 53

3-3-2-2-ساخت کاتد نوع دوم از جنس PbS. 53

3-3-2-3-ساخت کاتد نوع سوم از جنس مس سولفید/ سرب سولفید و سرب سولفید/مس سولفید. 54

3-3-2-4-ساخت کاتد با لایه نشانی پی در پی CuS/PbS…  به روش سیلار 54

3-3-3-ساخت الکترولیت پلی سولفید برای سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی.. 55

3-3-4- بستن سلول های QDSSCs. 55

3-4-     روش های مشخصه یابی فوتوولتایی سلول های خورشیدی نقطه کوانتومی.. 57

3-4-1-اندازه گیری منحنی های ولتاژ – جریان.. 57

3-4-1-1-اندازه گیری منحنی های ولتاژ-جریان در روشنایی.. 57

3-4-1-2-اندازه گیری بازدهی تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی و فاکتور کارکرد سلول.. 57

3-4-1-3-اندازه گیری منحنی های ولتاژ-جریان در تاریکی.. 58

3-4-2-اندازه گیری افت ولتاژ سلول با زمان.. 58

3-4-3-طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) 60

فصل 4-  تحلیل و نتایج مشخصه یابی سلول های ساخته شده. 64

4-1-مقدمه. 64

4-2- آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نانو ذرات تیتانیوم اکسید. 64

4-3-طیف جذب و عبور آند ها 67

4-4- مشخصه یابی کاتد ها به روش SEM… 68

4-5- مشخصات فوتوولتایی سلول های ساخته شده بر پایه کاتدهای مختلف… 71

4-6- بررسی اثر افزایش تعداد سیکل های سیلار در ساخت کاتد های نانو کامپوزیتی.. 76

4-7-آنالیز امپدانس الکتروشیمیایی.. 79

4-7- بررسی گرافن به عنوان کاتد در QDSSCs 81

4-7-1-ساخت کاتد با پوشش گرافن و کامپوزیت آن با سرب سولفید. 81

4-7-2-بررسی مشخصه های فوتوولتایی سلول ها با کاتد گرافن / سرب سولفید. 82

4-7-3-ساختار ترکیبی گرافن با دیگر ساختار های نانو کامپوزیتی به عنوان کاتد. 83

4-8-مقایسه ی کاتد های نانوکامپوزیتی با کاتد های ترکیبی باگرافن.. 87

فصل 5-  نتیجهگیری و پیشنهادات… 93

5-1-     جمع بندی و نتیجهگیری.. 93

5-2-      پیشنهادات… 94

مقالات ارائه شده. 95

فهرست مراجع.. 96

پیشگفتار
در این تحقیق به ساخت و مشخصه یابی سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی پرداخته شده است. برای ساخت آند در این سلول ها معمولاً از نانوذرات تیتانیوم اکسید(TiO2) استفاده می شود که بر روی زیر لایههای شفاف و رسانای اکسید قلع آلاییده شده با فلوئور پوشش داده میشوند. در این جا جهت حساسسازی فوتوآندها از نقاط کوانتومی کادمیوم سولفید و کادمیوم سلنید استفاده میشود. تا به حال کاتدهای مختلفی برای این سلول ها به کار رفته است. در این پژوهش به بررسی کاتدهای مس سولفید و سرب سولفید و مقایسهی آنها پرداخته شده است و بعد از آن روشی جدید تحت عنوان روش لایه نشانی دورهای برای ساخت نانو کامپوزیت مس سولفید/سرب سولفید به عنوان کاتدی مؤثر در سلولهای خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی با بازدهی بالا معرفی شده است. در این روش کاتدها به روش پوشش پی در پی لایه های مس سولفید و سرب سولفید بر روی شیشههای FTO با روش جذب و واکنش پی در پی یونی (سیلار ) ساخته شدند. با استفاده از کاتد نانو کامپوزیتی مس سولفید/سرب سولفید بازدهی نسبتاً خوبی برای این سلولها به دست آمد که این بازدهی قابل قیاس با کاتد موثر و بهینه شده مس سولفید در سلولهای خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی میباشد.خواص فوتوولتایی این سلولها مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بررسیها نشان داد که بازدهی این سلولها در مقایسه با کاتدهای مس سولفید و سرب سولفید به ترتیب بیش از2 و 3 برابر افزایش یافته است. پس از معرفی این روش به عنوان روشی نوین در ساخت کاتدهای نانو کامپوزیتی به بهینه کردن این کاتدها و بهینه کردن تعداد سیکلهای سیلار مس سولفید/سرب سولفید پرداخته شده است. در ادامه به منظور افزایش بازدهی و بهینه کردن عملکرد این سلول ها صفحات گرافن نیز به عنوان کاتد مورد استفاده قرار گرفت ،صفحات گرافنی به علت دارا بودن ساختار دو بعدی دارای سطح موثر بالا هستند. گرافن همچنین دارای رسانایی الکتریکی قابل مقایسه با فلزات میباشد. با توجه به سطح موثر مناسب و رسانایی قابل توجه، انتظار میرود کاتدهای متشکل از صفحات گرافنی، خواص کاتالیستی مناسبی در حضور الکترولیت مورد استفاده در سلول های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی نشان دهند. بنابراین با توجه به مزایای ذکر شده برای گرافن؛ در این پژوهش به بررسی خواص فوتوولتائیک این سلول ها و تحلیل کارکرد گرافن به عنوان کاتد در این سلولها پرداخته شده است. همچنین نتایج مناسبی که از کاتدهای نانوکامپوزیتی مس سولفید/سرب سولفید در این تحقیق گرفته شده است، منجر به تلفیق این دو کاتد و ارائهی کاتدی ترکیبی از آنها شده است؛ که در اینجا به طور کامل به بررسی و مشخصه یابی خواص فوتوولتایی آنها پرداخته شده است.

مقدمه و سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگدانه

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.