معرفی سلول‌های خورشیدی و نسل‌های مختلف آن

1- معرفی سلول‌های خورشیدی و نسل‌های مختلف آن:

امروزه، تأمین انرژی مورد نیاز بشراز راه های گوناگونی انجام می‌شود که بخش زیادی از آن را سوخت‌های فسیلی مانند نفت، زغال سنگ و گاز طبیعی تشکیل می‌دهد. بنابراین، گسترش منابع انرژی مختلف و تجدیدپذیر برای کاهش نشر کربن دی‌اکسید، متان و دیگر مواد مضر امری ضروری است. خورشید یکی از منابع تأمین انرژی عاری، پاک  ورایگان از اثرات مخرب زیست‌محیطی است که از دیرباز به روش‌های گوناگون مورد استفاده بشر قرار گرفته است. در سال‌های اخیر، استفاده از این منبع انرژی باعث به‌وجود آمدن کوره‌ها و سلول‌های خورشیدی مبدل انرژی شده است. سلول خورشیدی، وسیله‌ای است که انرژی خورشید را به‌وسیله اثر فوتوولتائیک (تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به الکتریسیته) و بدون اتصال به منبع ولتاژ خارجی به برق تبدیل می‌کند

پدیده فوتوولتائیک فقط با برخی از طول موج‌ها ایجاد می‌شود. این به آن دلیل است که بسته‌های نور (فوتون‌ها) باید یک حداقل انرژی برای برانگیختن الکترون‌های ماده را داشته باشند. بخشی از فوتون‌ها که انرژی کافی برای برانگیختن الکترون در مولکول یا نیمه‌رسانا را نداشته باشند، توسط ماده فوتوولتاییک جذب نمی‌شوند. از سوی دیگر، اگر انرژی فوتون بیشتر از میزان انرژی لازم برای برانگیختن الکترون باشد، انرژی اضافی هدر می‌رود. این دو پدیده باعث می‌شود که 70% از انرژی خورشید بدون مصرف باقی بماند.

از جمله کاربردهای سلول‌های خوشیدی می‌توان به موارد زیر اشاره نمود تأمین نیروی حرکتی ماهواره‌ها و سفینه‌های فضایی
تأمین انرژی لازم برای دستگاه‌هایی که نیاز به ولتاژهای کمی دارند مانند ماشین حساب و ساعت
 تهیه برق شهر توسط نیروگاه‌های فوتوولتائیک
 تأمین نیروی لازم برای حرکت خودروها و قایق‌های کوچک

مواد گوناگونی تاکنون در ساخت سلول‌های خورشیدی استفاده شده‌اند که بازده و هزینه‌های ساخت متفاوتی دارند. در واقع این سلول‌ها باید طوری طراحی شوند که بتوانند طول موج‌های نور خورشید را که به سطح زمین می‌رسد با بازده بالا به انرژی مفید تبدیل کنند. موادی که برای ساخت سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شوند در چهار نسل قرار می‌گیرند که همراه با مزایا و معایب در جدول نشان داده شده است

امروزه، بیشترین سلول‌های خورشیدی تجاری از سیلیکون (بیش از 86%) ساخته شده‌اند، در حالی‌که استفاده از سیلیکون در دستگاه فوتوولتائیک ممکن است به دلیل قیمت بالای تولید محدود شود. به‌طور کلی، از ویژگی‌های سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ در مقایسه با سلول‌های خورشیدی معدنی می‌توان به هزینه پایین تولید، تنوع رنگ و شکل، انعطاف‌پذیری و سبکی وزن اشاره کرد. این در حالی است که سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ نسبت به سلول‌های خورشیدی معدنی بازده پایین‌تری نشان می‌دهند که لازم است به‌طور قابل توجهی بهبود داده شود. سلول خورشیدی حساس شده با رنگ از دسته سلول‌های لایه نازک به شمار می‌آید و تنها نمونه‌ای از فناوری نسل سوم سلول‌های خورشیدی است که تاکنون به مرحله تجاری‌سازی رسیده است .

2- تاریخچه و معرفی سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ:

تاریخچه حساس‌سازی با رنگ به قرن نوزدهم یعنی زمان اختراع عکاسی برمی‌گردد. کار ووگل (H. W. Vogel) در برلین بعد از سال 1873 را می‌توان به عنوان اولین مطالعه مهم حساس‌سازی مواد نیمه‌رسانا با رنگ بررسی کرد که در آن امولسیون‌های نقره هالید برای تولید فیلم‌های عکاسی سیاه و سفید توسط رنگ‌ها سنتز شدند. به هر حال، استفاده از اثر فوتوولتائیک در حساس‌سازی با رنگ، نسبتاً ناموفق باقی ماند تا زمانی‌که پیشرفت غیر قابل انتظاری در اوایل دهه 1990 در دانشگاه صنعتی فدرال در لوزان سوییس توسط مایکل گرتزل و برایان اورگان به‌دست آمد. پروفسور گرتزل (Greatzel) و همکارانش با ترکیب موفق الکترودهای نانوساختار و رنگ‌های تزریق کننده بار (Charge Injecting Dye)، یک سلول خورشیدی با بازده تبدیل انرژی بیش از 7% را تهیه کردند. این سلول خورشیدی به عنوان “سلول خورشیدی نانو ساختار حساس شده با رنگ” یا “سلول گرتزل” نام‌گذاری شد. با توجه به هزینه پایین، عدم پیچیدگی ساختاری، بازده خوب و پایداری طولانی مدت سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ، پژوهش‌ها در این فناوری به‌سرعت در طول دو دهه اخیر پیشرفت کرده است.

3- ساختار سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ:

اجزای تشکیل‌دهنده سلول خورشیدی حساس شده با رنگ شامل بخش‌های مهمی همچون شیشه پوشیده شده با اکسید رسانای شفاف، نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید (Titanium dioxide, TiO₂)، رنگ‌های حساس به نور، الکترولیت اکسایش- کاهش، الکترود شمارشگر (کاتد) و مواد ضد نشت  می‌باشد.

3-1- شیشه پوشیده شده با اکسید رسانای شفاف:

شیشه پوشیده شده با اکسید رسانای شفاف (Transparent Conducting Oxide, TCO) به‌عنوان بستر برای فوتوالکترود تیتانیوم دی‌اکسید استفاده می‌شود. برای عملکرد بالای سلول خورشیدی، بستر باید مقاومت صفحه‌ای پایین و شفافیت بالا داشته باشد. به‌علاوه، مقاومت صفحه‌ای در دمای بالای 500 درجه باید مستقل از دما باشد؛ زیرا رسوب کردن الکترود تیتانیوم دی‌اکسید در دمای 500-450 درجه  انجام می‌شود. ایندیوم- قلع اکسید (Indium-Tin Oxide, ITO) یکی از مشهورترین اکسیدهای رسانای شفاف است که دارای مقاومت پایینی در دمای اتاق می‌باشد. با این وجود مقاومت آن در دمای بالا در مجاورت هوا افزایش می‌یابد. معمولاً، قلع دی‌اکسید آلاییده شده (Dopped) با فلوئور (Fluorine-doped SnO₂, F:SnO₂, SnO₂:F) به‌عنوان بستر رسانای شفاف در سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ کاربرد دارد.

3-2- فوتوالکترود تیتانیوم دی‌اکسید:

فوتوالکترودهایی که از موادی مانند سیلیکون، گالیم آرسنید، ایندیوم فسفید و کادمیم سولفید ساخته می‌شوند، تحت تابش نور در محلول بر اثر خوردگی نوری تجزیه می‌شوند. در مقایسه، اکسیدهای نیمه‌رسانا به ویژه تیتانیوم دی‌اکسید، تحت تابش مرئی در محلول پایداری شیمیایی خوبی دارند. به‌علاوه این مواد غیرسمی و ارزان هستند. فوتوالکترود لایه نازک تیتانیوم دی‌اکسید طی یک فرایند بسیار ساده تهیه می‌شود. در این فرایند به منظور افزایش بازده سلول، از نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید استفاده می‌شود. مساحت سطح به حجم بسیار بالا برای نانوذرات، امکان جذب مقدار بیشتری از رنگ را روی سطح فراهم می‌سازد. محلول کلوییدی نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید (خمیر) روی بستر اکسید رسانای شفاف لایه نشانی شده و سپس در دمای 500-450 درجه سانتیگراد رسوب داده می‌شود که به این ترتیب، تیتانیوم دی‌اکسید تک لایه‌ای با ضخامت 10 میکرومتر به‌دست می‌آید. تخلخل این لایه نیز نکته مهمی است. این به آن دلیل است که الکترولیت باید به‌راحتی داخل این لایه نفوذ کرده و بتواند سرعت انتشار یون‌های یدید/ تری یدید (یون‌های موجود در الکترولیت) به داخل لایه را کنترل کند. به‌منظور ایجاد تخلخل مطلوب، ترکیب‌های پلیمری مانند پلی‌اتیلن گلیکول و اتیل سلولز به داخل محلول کلوییدی تیتانیوم دی‌اکسید در فرآیند رسوب‌گیری افزوده می‌شود.

3-3- رنگ‌های حساس به نور:

معمولاً در بیشتر بررسی‌ها روی سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ، کمپلکس‌های روتنیوم پلی‌پیریدین (Ruthenium Polypyridine) به‌عنوان رنگ حساس به نور انتخاب می‌شوند. دلیل این انتخاب شناخت گسترده ویژگی‌های فیزیک نوری و اکسایش- کاهش نوری این کمپلکس‌ها و هم‌چنین آسان بودن تغییر سطح مزدوج‌شدگی (Conjugation) لیگاندهای پلی‌پیریدین و معرفی گروه‌های مناسب در اطراف لیگاند به‌منظور بهبود خواص طیفی و اکسایش- کاهشی آنها می‌باشد. کمپلکس‌های روتنیوم بر پایه کربوکسی بی‌پیریدین و کربوکسی ترپیریدین مانند N3 یا رنگدانه قرمز (سیس ـ دی ایزو تیوسیاناتوـ بیس (2،′2ـ بی-پیریدیل ـ4،′4ـ دی کربوکسیلیک اسید) روتنیوم (ІІ))، و  N719 (سیس ـ دی ایزوتیوسیاناتوـ بیس (2،′2ـ بی پیریدیل ـ4،′4ـ دی کربوکسیلاتو) روتنیوم (ІІ) بیس (تترابوتیل آمونیوم))، N749 یا رنگدانه سیاه (تری‌ایزوتیوسیاناتوـ(2،′2:′6،″6ـ ترپیریدیل ـ4،′4،″4ـ تری کربوکسیلاتو) روتنیوم (ІІ) تریس (تترابوتیل آمونیوم)) و Z907 (سیس ـ دی ایزوتیوسیاناتوـ(2،′2ـ بی پیریدیل ـ4،′4ـ دی کربوکسیلیک اسید)ـ(2،′2ـ بی پیریدیل ـ4،′4ـ دی نونیل) روتنیوم (ІІ))، مؤثرترین حساس کننده‌های تیتانیوم دی‌اکسید هستند که به‌دلیل بازده تبدیل انرژی بالا در سراسر جهان به عنوان رنگ‌های شاهد در سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ استفاده می‌شوند.

رنگ‌های N719، N3 و Z907 می‌توانند دامنه گسترده‌ای از منطقه مرئی از 400 تا 800 نانومتر را جذب کنند؛ در حالی‌که رنگ N749 در ناحیه مادون قرمز نزدیک تا 900 نانومتر جذب دارد [10و8]. جذب در نواحی مادون قرمز نزدیک و مرئی در این رنگ‌ها، به انتقال بار از فلز به لیگاند در کمپلکس کمک می‌کند. بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده (Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO) و پایین‌ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده (Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)، به‌طور عمده از اوربیتال‌های d فلز روتنیوم و اوربیتال *π لیگاند مشتق می‌شود. لیگاند ایزوتیوسیانات سطح LUMO را کاهش داده و منجر به یک جابجایی قرمز (Red Shift) در خواص جذبی کمپلکس و هم‌چنین پذیرش آسان‌تر الکترون از یون‌های یدید موجود در الکترولیت می‌شود. در کمپلکس‌های روتنیوم، گروه‌های کربوکسیل برای اتصال محکم‌تر به سطح تیتانیوم دی‌اکسید وجود دارند. این اتصال محکم باعث برهم کنش الکترونی بزرگ بین لیگاند و نوار رسانایی تیتانیوم دی‌اکسید شده و به تزریق مؤثرتر الکترون از کمپلکس روتنیوم به تیتانیوم دی‌اکسید کمک می‌کند. کمپلکس روتنیوم روی سطح تیتانیوم دی‌اکسید از طریق کوئوردیناسیون دو دندانه‌ای کربوکسیلات یا پیوند استری لایه‌نشانی می‌شود

علاوه‌بر رنگ‌های ذکر شده، رنگ‌های دیگری مانند پورفیرین، فتالوسیانین، پریلن و مشتق‌های آنها  نیز در ساختار سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ استفاده می‌شود که بازده آنها در مقایسه با رنگ‌های پلی‌پیریدینی پایین‌تر است.

3-4- الکترولیت اکسایش- کاهش:

الکترولیت استفاده شده در سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ شامل یون‌های اکسایش- کاهش یدید/ تری یدید (^–I^–/I₃) می‌باشد که الکترون‌ها را بین فوتوالکترود تیتانیوم دی‌اکسید و الکترود شمارشگر جابجا می‌کند. مخلوط‌هایی از نمک‌های یدید (لیتیم یدید، سدیم یدید، پتاسیم یدید، تترا آلکیل آمونیوم یدید و مشتق‌های ایمیدازولیوم یدید با غلظت 0.1 تا 0.5 مولار) و ید (غلظت 0.05 تا 0.1 مولار) در یک حلال غیر پروتونی (مانند استونیتریل، پروپیونیتریل، متوکسی استونیتریل، پروپیلن کربنات یا مخلوط‌هایی از آنها) حل می‌شوند. عملکرد سلول خورشیدی حساس شده با رنگ به کاتیون‌های مخالف یدید مانند لیتیم، سدیم، پتاسیم و تترا آلکیل آمونیوم وابسته است؛ به این دلیل که قابلیت رسانایی یون مخالف در الکترولیت یا در فرایند جذب سطحی روی سطح تیتانیوم دی‌اکسید، منجر به جابجایی سطح نوار رسانایی الکترود تیتانیوم دی‌اکسید می‌شود. گرانروی حلال‌ها به‌طور مستقیم روی رسانایی یون در الکترولیت و در نتیجه عملکرد سلول اثر می‌گذارد. برای بهبود عملکرد سلول باید از حلال‌هایی با گرانروی کم استفاده کرد. ترکیب‌های بازی مانند ترشیری بوتیل پیریدین نیز به محلول الکترولیت اضافه می‌شود تا عملکرد سلول را بهبود دهد. برمید/ برم و هیدروکینون نیز به‌عنوان الکترولیت اکسایش- کاهش برای سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ استفاده شده‌اند، اما الکترولیت اکسایش- کاهش ید عملکرد بهتری ارائه می‌دهد.

:3-5- الکترود شمارشگر (کاتد)

یون‌های تری یدید در الکترود شمارشگر به یدید کاهش پیدا می‌کنند. برای کاهش یون‌های تری یدید، الکترود شمارشگر باید فعالیت الکتروکاتالیزوری بالایی داشته باشد. پلاتین پوشش داده شده روی سطح اکسید رسانای شفاف (ضخامت 10-5 میکروگرم بر سانتی‌متر مربع یا تقریباً 200 نانومتر) یا کربن معمولاً به عنوان الکترود شمارشگر در این سلول‌ها استفاده می شود.

 :3-6- مواد ضد نشت

یک ماده ضد نشت برای جلوگیری از نشت الکترولیت و تبخیر حلال مورد نیاز است. پایداری شیمیایی و فوتوشیمیایی ماده ضد نشت در مقایسه با جزء الکترولیت و حلال باید مورد توجه قرار گیرد. سورلین (کوپلیمر اتیلن و متاکریلیک اسید) سازگاری خوبی با این شرایط دارد.

 
 :4- عملکرد سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ

به‌طور کلی با نگاه اجمالی در ساختار سلول‌های خورشیدی حساس شده با رنگ، باید این سلول‌ها را مشابه با یک باتری قلیایی تجاری دانست که در آن یک آند و یک کاتد در دو طرف الکترولیت مایع قرار می‌گیرند. به این ترتیب که نور خورشید از طریق الکترود شفاف وارد لایه رنگ شده و الکترون‌های آن را برانگیخته می‌کند. سپس این الکترون‌ها به نانو‌ذرات تیتانیوم دی‌اکسید نیمه‌رسانا با نوار ممنوعه حدود 3.5 الکترون‌ولت، منتقل خواهد شد. با جذب الکترون‌ها در این نوار ممنوعه، میدان الکتریکی و سپس جریان ایجاد می‌شود. این جریان وارد مدار شده و به کاتد انتقال می‌یابد. کاتد هم‌چنین نقش یک کاتالیزور را دارد و الکترون‌ها را وارد محلول الکترولیت (یدید/ تری یدید) می‌کند تا از طریق واکنش شیمیایی در الکترولیت، الکترون‌ها دوباره وارد مولکول رنگ شوند. در سلول خورشیدی حساس شده با رنگ دو فرآیندی که در سلول‌های قدیمی سیلیکونی توسط سیلیکون انجام می‌شد تفکیک شده‌اند. در سلول‌های قدیمی، سیلیکون هم به عنوان منبع فوتوالکترون به‌کار می‌رود و هم میدان الکتریکی لازم برای جداسازی بارها و ایجاد جریان را تولید می‌کند؛ در حالی‌که در سلول خورشیدی حساس شده با رنگ، نیمه‌رسانا تنها برای انتقال بار به‌کار می‌رود و فوتوالکترون‌ها توسط یک ماده رنگی حساس به نور فراهم می‌شوند

اما در نگاه دقیق‌تر در یک سلول خورشیدی حساس شده با رنگ، جهت بررسی مرحله به مرحله، فوتون‌های نور خورشید طی مراحل زیر به جریان الکتریکی تبدیل می‌شوند

1-  رنگ نشانده شده روی سطح تیتانیوم دی‌اکسید، شار فوتون گسیل شده را جذب می‌کند (معادله 1).

2- به‌دلیل انتقال بار از فلز مرکزی به لیگاند، رنگ از حالت پایه (S) به حالت برانگیخته (^*S) می‌رسد. الکترون‌های برانگیخته شده به نوار رسانایی الکترود تیتانیوم دی‌اکسید تزریق شده و منجر به اکسایش رنگ می‌شوند (معادله 2).

3- الکترون‌های تزریق شده در نوار رسانایی تیتانیوم دی‌اکسید بین نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید انتشار یافته و میدان الکتریکی و سپس جریان را ایجاد می‌کنند. جریان به اکسید رسانای شفاف انتقال داده می‌شود تا از طریق سیم‌کشی خارجی به الکترود شمارشگر و سپس محلول الکترولیت برسد.

4- یون تری یدید موجود در محلول الکترولیت، الکترون‌ها را از الکترود شمارشگر گرفته و به یون یدید کاهش پیدا می‌کند (معادله 3).

5- رنگ اکسید شده (⁺S) در تماس با محلول الکترولیت، الکترون‌ها را از یون یدید پذیرش کرده و به حالت پایه (S) برمی‌گردد (معادله 5). یون یدید نیز پس از انتقال الکترون به حالت اکسید شده خود یعنی یون تری یدید تبدیل می‌شود