سلول خورشیدی پلیمری با قابلیت انعطاف پذیری

سلول خورشیدی پلیمری با قابلیت انعطاف پذیری

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 ترانزیستور های 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 تا۳ 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 ی 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 سلولهای خورشیدی دیده میشود. سلولهای خورشیدی را از نظر فناوری ساخت می توان به سه دسته تقسیم کرد، که سلو لهای خورشیدی آلی یکی از این موارد است [۱]. دراین قسمت سلولهای خورشیدی برپایه مواد آلی که جز نسل سوم سلولهای خورشیدی هستند مورد بررسی قرار می گیرد.
۱-۱- سلولهای خورشیدی بر پایه نیمه رساناهای آلی
جدیدترین گروه سلولهای خورشیدی شامل ملکولهای 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 سلولهای خورشیدی مزیتهای متعددی از قبیل فراوری آسان، انعطاف پذیری، سبک وزنی و هزینه ساخت کم را دارا می باشند[۲].
۱-۲- نمونه هایی از سلولهای خورشیدی مبتنی بر مواد آلی
انواعی از سلولهای خورشیدی مبتنی بر مواد آلی شامل:
• سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
• سلولهای خورشیدی پلیمری
• سلولهای خورشیدی مبتنی بر بلورهای های مایع (Liquid Crystals) می باشند (شکل۱). 

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
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 حلالهای آلی می باشد که تهیه سلولهای خورشیدی انعطاف پذیری را امکان پذیر می سازد.۱-۳- مقایسه سلول های فتوولتاییک آلی و معدنی
فن آوری فتوولتاییک باید پایدار ،کارا و کم هزینه باشد. فتوولتاییک سیلیکون بلوری خیلی پایدار وطول 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 سلول‏های 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 تهیه‏ی سخت) به عنوان فن آوری مکمل مناسب برای سلول های خورشیدی سیلیکونی مورد استفاده قرار می‏گیرد. این در حالی است که سلول های فتوولتاییک آلی پایداری و بازده کمی را از خود نشان می‏دهند(جدول ۱) [۳].

جدول۱- مقایسه سلولهای فتوولتاییک آلی و معدنی[۳]
filereader.php?p1=main_270e33da79c5156c1
– 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

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
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].

 

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
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]. نمونه‏هایی از پلی تیوفن ها که در سلول های خورشیدی استفاده می شوند در شکل ۴ نمایش داده شده است.

 

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
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 ‏ها ی 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 میدهند معرفی شدند(شکل۵). 

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل۵- نمونه هایی از نیمه رساناهای آلی استفاده شده در سلولهای 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 میگیرند. بر طبق تئوری نوار، یک فلز دارای گاف انرژی صفر است چون نوار رسانش و ظرفیت با هم همپوشانی کرده و یک نوار تشکیل میدهند و حرکت حاملهای بار (الکترونها) 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 عایقها 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 الکترونهای تحریک شده از طریق گرمایی یا فتو شیمیایی در دمای محیط اشغال می شود و این برانگیختگی حاملهای بار، برای جریان بار الکتریکی در نیمه رساناها دردسترس خواهد بود(شکل۶)[۵].
filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
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 استخلافها. یک ادغام از بخشهای 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 ونوار 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 حاملهای بار مثبت یا منفی وحرکت این حاملهای بار در طول زنجیر اصلی زنجیر پلیمر است. حاملهای 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). موادگیرنده الکترون با الکترونخواهی بالا (Electron Affinity) و شامل C60ومشتقات محلول آن می باشند. فولرنها 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 گیرنده گی الکترون در فولرن، بهبودی بیشتری را در کارایی ابزار حاصل می کند.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
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 میشوند (شکل۸). تفاوت تابع کار بین دو رسانا، یک میدان الکتریکی را در لایه آلی راه اندازی میکند. موقعی که یک لایه آلی، نور را جذب میکند الکترونها به اوربیتال LUMO برانگیخته شده، و تشکیل اکسایتون (Exciton) -(مترادف حفره-الکترون) می کنند. میدان الکتریکی مسئول جدایی پیوندهای الکتروستاتیک اکسایتونها بوده که منجربه کشیدن الکترون به سمت الکترود مثبت و حفره ها به سمت الکترود منفی میشودکه جریان و ولتاژ حاصل شده از این فرایند می تواند جهت انجام کار استفاده شود[۸].۵- ۲ -سلولهای فتوولتاییک آلی دولایه
این نوع از سلولهای خورشیدی فتوولتاییک شامل دو لایه متفاوت بین الکترودهای هادی می باشند (شکل۸). این دو لایه از مواد دارای الکترونخواهی و انرژی یونیزاسیون متفاوت میباشند و بنابرین نیروی الکتروستاتیکی در سطح مشترک بین دو لایه ایجاد میشود و بنابراین این میدانهای الکتریکی محلی هر چه بزرگتر باشند امکان گسست اکسایتونها را نسبت به سلولهای فتوولتاییک تک لایه فراهم میکنند. لایه با الکترونخواهی و پتانسیل یونیزاسیون بالا به عنوان گیرنده الکترون و لایه دیگر دهنده الکترون میباشد. 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 ودر چنین ضخامت بزرگی فقط بخش کمی از اکسیتونها میتوانند به سطح مشترک دو لایه برسند[۹]. برای رفع این مشکل نوع جدیدی از سلولهای فتوولتاییک با اتصالات نامتقارن طراحی شدند که به سلولهای فتوولتاییک با اتصالات نامتقارن پخش شده (توده) موسومند.۵- ۳ -سلولهای فتوولتاییک با اتصالات ناهمگن توده‏ای
در این نوع سلولها، الکترون گیرنده و الکترون دهنده با هم مخلوط شده وتشکیل یک آلیاژ میدهند(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 اکسایتونها به طورکارایی گسست مییابند والکترونها به طرف ناحیه گیرنده الکترون حرکت کرده و سپس در الکترود مربوطه انباشته میشوند و حفره ها در مسیر مخالف کشیده شده و در الکترود مقابل جمع میشوند. این نوع پیکربندی باعث افزایش مساحت بین سطحی فاز دهنده و گیرنده و در نتیجه منجر به بهبود کارایی سلول فتوولتاییک میشود[۱۰].

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل۸- (الف)اجزاءتشکیل دهنده سلولهای 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 توده‏ای ، آمیزه‏های مواد کامپوزیت پلیمر/ فولرین است که در آن نیمه رساناهای پلیمری به عنوان دهنده و فولرن (مشتقات C60) به عنوان گیرنده می‏باشند و در آن ملکول‏های فولرن در یک پلیمر با یک حلال واسطه پخش می‏شود 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 توده‏ای پلیمرمزدوج-PCBM در حال حاضر بهترین سلول PV بر پایه پلیمرمزدوج می باشد(شکل۹)[۱۱].

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل۹- پلیمرمزدوج-PCBM
۲-۶-  سلول های خورشیدی برمبنای پلیمر/پلیمر
سلول های خورشیدی با اتصالات ناهمگن توده‏ای، 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 توده‏ای 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 بخشهای مکمل طیف خورشیدی را پوشش می دهند وبه طور نسبی تنظیم و سازگار کردن وبهینه سازی هر کدام از اجزاءآسان است (شکل۱۰) [۱۱]. 

filereader.php?p1=main_d3d9446802a442597
شکل۱۰-ساختار پلیمرهای آلی به کار رفته در سلول های خورشیدی
۳-۶- سلولهای 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 بخشهای گیرنده آویزان، انتقال یافته و به حفره باقیمانده در زنجیره پلیمر اجازه انتقال بار مثبت را می دهند[۱۱]. 

filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02
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- سلولهای 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 وانتقال دهنده حفره عمل میکنند و مواد معدنی که در این نوع سلولها به عنوان الکترون گیرنده  و انتقال دهنده الکترون ها استفاده می شوند. راهکار موثر برای ساخت سلولهای خورشیدی هیبریدی استفاده از مخلوط هایی از نانو ذره ها با پلیمرهای نیمه رسانا به صورت اتصالات ناهمگن توده‏ای 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 موادآلی 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 اکسایتونها از طریق مسیرهای تابشی یا غیر تابشی قبل از رسیدن به سطح مشترک اتفاق میافتد. طول نفوذ اکسایتونها 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 حاملهای بار آزاد است. مطالعات نور فیزیکی نشان داده است که انتقال بار نور تحریکی در چنین مخلوطهایی خیلی سریعتر از فرایندهای آسایشی رقیب خواهد بود[۱۳].

filereader.php?p1=main_c20ad4d76fe97759a
شکل۱۲- مکانیسم کار، برای سلول خورشیدی پلیمری با اتصالات نامتقارن دهنده –گیرنده[۷].
filereader.php?p1=main_c51ce410c124a10e0
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 مهم ترین اجزا سلول های خورشیدی آلی مواد دهنده و گیرنده آن است که از مهم ترین 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 توده‏ای (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 وبتوانند به جای مشتقات فولرن که گران قیمت هستند،استفاده شوند.

اشتراک گذاری پست

پاسخ دهید

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