افزایش ارتقای عملکرد سلول‌های خورشیدی با رنگدانه‌های آلی لیزری

به گزارش ایران اکونومیست به نقل از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، مجری طرح سلول‌های خورشیدی درباره این دستگاه که با تکیه بر پدیده فتوولتائیک انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند، گفت: نسل‌های مختلفی از سلول‌های خورشیدی تولید شده‌اند که هر گروه دارای مزایا و معایبی در معماری، مکانیسم عملکرد، مواد به کار برده شده و روش‌های ساخت هستند.
شعله کاظمی فرد با بیان اینکه سلول‌های خورشیدی سیلیکونی بر بازار فتوولتائیک جهان حکمفرمایی می‌کنند، اظهار کرد: امروزه مقدار بازده تبدیل انرژی تا بیش از 28 درصد رسیده است ولی مشکل اساسی این نوع از سلول‌های فتوولتائیک نیاز به سیلیکون خالص و همچنین فرآیندهای دمای بالا برای خلوص آن است که ساخت آن را گران می کند.
وی هدر رفت بیشترین مقدار فوتون‌های پر انرژی در انتهای طول موج آبی و بنفش به صورت حرارت را از دیگر مشکلات سلول‌های خورشیدی سیلیکونی ذکر کرد و ادامه داد: از این رو تلاش‌های بسیاری درجهت بهبود انواع سیستم‌های فتوولتائیک در دستیابی به بازده بالاتر سلول خورشیدی، طول عمر بیشتر، یافتن مواد متناسب با محیط زیست در طراحی و ساخت این سیستم‌ها، طراحی ارزان‌تر و فرآیندهای ساخت آسان‌تر صورت گرفته است.
مجری طرح با تاکید بر اینکه پلیمرهای مزدوج که جزو ترکیبات نیمه‌ هادی دسته بندی می‌شوند، مواد امیدبخشی برای ساخت سلول‌های خورشیدی آلی محسوب می‌شوند، خاطرنشان کرد: با توجه به اینکه طراحی سلول‌های خورشیدی پلیمری بر پایه پلیمرهای‌‌هادی، نیاز به حجم بسیار اندکی از محلول‌های پلیمری برای تولید لایه فعال با ضخامت در مقیاس چند ده نانومتر دارند، کاربرد این ترکیبات باعث کاهش چشمگیر هزینه ساخت سلول‌های خورشیدی خواهد شد ضمن آنکه بکارگیری این پلیمرها امکان طراحی دستگاه‌های خورشیدی انعطاف پذیر و سبک را برای کاربردهای متنوع فراهم می‌آورد.
وی درخصوص جزییات اجرای پروژه تحقیقاتی نیز گفت: در این مطالعات ترکیبات لایه فعال در این سلول‌ها با استفاده از تکنیک‌های لایه نشانی ساده و ارزان قیمتی مانند لایه نشانی چرخشی و روش لایه نشانی تیغه‌ای، روی سابستریت‌های متنوع و موردنظر در دمای اتاق انجام گرفت.
به گفته این محقق استفاده از روش‌های لایه نشانی جوهر افشانی و حتی فرآیند غلتکی نیز برای ساخت دستگاه‌های فتوولتائیک آلی در مقیاس صنعتی استفاده می‎شوند که منجر به کاهش هزینه‌های ساخت خواهد شد.
کاظمی فرد با بیان اینکه سلول خورشیدی پلیمری تولید شده از چینش لایه‎های مختلف برروی هم تولید شدند، توضیح داد: لایه‌های مختلف سلول‌های تولید شده شامل الکترود آند با تابع کار بالا، لایه انتقال دهنده حفره که از عبور الکترون‌ها به سمت الکترود آند جلوگیری می‌کند، لایه فعال، لایه انتقال دهنده الکترون که از انتقال حفرات به سمت الکترود کاتد ممانعت به عمل می‌ آورد و در انتها الکترود کاتد با تابع کار پایین می‌شود.
این محقق جوان اضافه کرد: لایه فعال بین الکترود کاتد و آند ساندویچ شده است و اختلاف در تابع کار دو الکترود منجر به تولید جریان الکتریکی در سلول خواهد شد.
وی در عین حال شامل بازدهی کم و طول عمر پایین را از جمله محدودیت‌های جاری سلول‌های خورشیدی پلیمری دانست و اظهار کرد: به منظور برطرف کردن این مشکلات در این پروژه دو راهکار اساسی «افزایش دامنه طول موج‌های قابل جذب از تابش خورشید توسط لایه فعال پلیمری» و «تسهیل امکان انتقال اکسایتون‌ها در لایه فعال از طریق تغییر در مورفولوژی لایه فعال و ترکیب درصد و نوع ترکیبات موجود در لایه فعال» پیشنهاد شد.
کاظمی فرد یادآور شد: از این رو در این پروژه تلاش در جهت دستیابی به مقادیر بالاتر بازده به واسطه تغییر در معماری سلول خورشیدی و تغییر در مواد لایه فعال صورت گرفت.
وی با تاکید بر اینکه در این پژوهش، از رنگدانه‌های آلی، به عنوان یک جزء فعال نوری، در بخش‌های مختلف سلول خورشیدی پلیمری استفاده شد، گفت: تاکنون در پژوهش‌های انجام گرفته در دنیا کاربرد رنگدانه آلی لیزری در سلول خورشیدی پلیمری صورت نگرفته است.
کاظمی فرد ادامه داد: در این پروژه از رنگدانه آلی به کار رفته در سلول خورشیدی پلیمری با هدف جذب طول موج‌های بیشتری از فوتون تابشی خورشید در محدوده‌های 200 تا 400 نانومتر و همچنین 400 تا 700 نانومتر استفاده شد.
به گفته مجری طرح کاربرد رنگدانه آلی می‌تواند منجر به تشدید تولید الکترون حفره شود و تسهیل انتقالات بار الکتریکی در ساختار سلول خورشیدی را موجب شود.
وی خاطرنشان کرد: خصلت فلوئورسانسی رنگدانه آلی به کار برده شده، در بازجذب تابش رنگدانه توسط پلیمر ‌هادی موجود در لایه فعال سیستم فتوولتائیک طراحی شده مؤثر است که منجر به بروز پدیده فورستر در مکانیسم انتقال بار در سلول خورشیدی پلیمری می‌شود که به لحاظ تئوری و عملی یک دستاورد پژوهشی ارزشمند است.
این پژوهشگر با بیان اینکه انتخاب رنگدانه به گونه‌ای بوده است رنگدانه یا پلیمر‌هادی الکترون دهنده بتوانند الکترون‌های خود را به ترکیبات فعال در سلول خورشیدی منتقل کنند، افزود: نتایج به دست آمده نشان داد که کاربرد رنگدانه آلی منجر به بهبود بازده تبدیل انرژی، جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدار باز سلول خورشیدی طراحی شده به ترتیب تا 70، 56.7 و 32 درصد درمقایسه با نمونه فاقد رنگدانه شده است.
وی با تاکید بر اینکه بهینه سازی تک تک لایه‌ها در ساختار سلول خورشیدی پلیمری می‌تواند به طور مستقیم در ارتقای عملکرد سلول خورشیدی مؤثر باشد، اضافه کرد: به همین منظور بهبود شرایط لایه نشانی لایه انتقال دهنده حفره با استفاده از ترکیب پلیمری PEDOT:PSS، به همراه روش‌هایی که منجر به افزایش رسانایی الکتریکی این لایه می‌شود انجام پذیرفت و این بهبود شرایط توانست بازده تبدیل انرژی الکتریکی را تقریبا تا 2 برابر مقدار اولیه افزایش دهد.
کاظمی فرد با بیان اینکه در این مطالعات طراحی و ساخت سلول خورشیدی با استفاده از دو شکل ساختاری مختلف ازکاتد برپایه آلومینیم نیز بررسی شد، یادآور شد: شکل و ساختار کاتد می‌تواند نقش مؤثری در بهینه سازی رفتار سلول خورشیدی داشته باشد.
وی خاطرنشان کرد: بنابراین ساخت سلول خورشیدی با استفاده از رنگدانه آلی و بهینه سازی ساختار کاتد و لایه انتقال دهنده حفره، در مجموع منجر به ارتقای عملکرد سلول خورشیدی جدید تا 7.5 برابر در مقایسه با سلول خورشیدی فاقد رنگدانه و بدون بهینه سازی لایه انتقال دهنده حفره و کاتد خواهد شد.