خورشیدی های سلول

:مقدمه

که • شود می انجام گوناگونی منابع توسط بشر نیاز مورد انرژی تأمین امروزه،طبیعی گاز و سنگ زغال نفت، مانند فسیلی های سوخت را آن از ای عمده بخش

دهد می کاهش.   تشکیل برای تجدیدپذیر و متنوع انرژی منابع گسترش بنابراین،. است ضروری امری مضر مواد دیگر و متان اکسید، دی کربن نشر

زیست  • مخرب اثرات از عاری و پاک رایگان، انرژی تأمین منابع از یکی خورشیدقرار بشر ی استفاده مورد گوناگون های روش به دیرباز از که است محیطی

. آمدن وجود به باعث انرژی منبع این از استفاده اخیر، های سال در است گرفته. است شده انرژی مبدل خورشیدی های سلول و ها کوره

خورشیدی های سلول معرفی

اثر  • ی وسیله به را خورشید انرژی که است ای وسیله خورشیدی، سلول ) به ) اتصال بدون و الکتریسیته به خورشیدی انرژی مستقیم تبدیل فوتوولتائیک

. کند می تبدیل برق به خارجی ولتاژ منبع

• . دلیل آن به این شود می ایجاد ها موج طول از برخی با فقط فوتوولتائیک ی پدیده ) الکترون ) برانگیختن برای انرژی حداقل یک باید ها فوتون نور های بسته که است

. باشند داشته ماده های

نیمه  • یا مولکول در الکترون برانگیختن برای کافی انرژی که ها فوتون از بخشی. شوند نمی جذب فوتوولتاییک ماده توسط باشند، نداشته را رسانا

باشد، • الکترون برانگیختن برای الزم انرژی میزان از بیشتر فوتون انرژی اگر . که شود می باعث پدیده دو این رود می هدر اضافی انرژی% 70انرژی از

.  بماند باقی مصرف بدون خورشید

خوشیدی های سلول کاربردهای

فضایی  • های سفینه و ها ماهواره حرکتی نیروی تأمین

مانند  ) • دارند کمی ولتاژهای به نیاز که هایی دستگاه برای الزم انرژی تأمین) ساعت و حساب ماشین

فوتوولتائیک  • های نیروگاه توسط شهر برق ی تهیه

کوچک  • های قایق و خودروها حرکت برای الزم نیروی تأمین

مختلف  های خورشیدی نسل های سلول

که • اند شده استفاده خورشیدی های سلول ساخت در تاکنون گوناگونی مواد . - طوری باید ها سلول این واقع در دارند متفاوتی ساخت های هزینه و بازده

می زمین سطح به که را خورشید نور های موج طول بتوانند که شوند طراحی . های سلول ساخت برای که موادی کنند تبدیل مفید انرژی به باال بازده با رسد

و مزایا با همراه که گیرند می قرار نسل چهار در شوند می استفاده خورشیدی. است شده داده نشان زیر جدول در معایب

از ) • بیش سیلیکون از تجاری خورشیدی های سلول بیشترین %( 86امروزه،فوتوولتائیک دستگاه در سیلیکون از استفاده که حالی در اند، شده ساخته

. شود محدود تولید باالی قیمت دلیل به است ممکن

در • رنگ با شده حساس خورشیدی های سلول های ویژگی از کلی، طور بهتنوع تولید، پایین ی هزینه به توان می معدنی خورشیدی های سلول با مقایسه

- کرد اشاره وزنی سبک و پذیری انعطاف شکل، و .رنگ

به • نسبت رنگ با شده حساس خورشیدی های سلول که است حالی در اینبه است الزم که دهند می نشان تری پایین بازده معدنی خورشیدی های سلول

. شود داده بهبود توجهی قابل طور

شمار • به نازک الیه های سلول دسته از رنگ با شده حساس خورشیدی سلولکه است خورشیدی های سلول سوم نسل فناوری از ای نمونه تنها و آید می

. است رسیده سازی تجاری ی مرحله به تاکنون

حساس خورشیدی های سلول معرفی و تاریخچهرنگ با :شده

عکاسی • اختراع زمان یعنی نوزدهم قرن به رنگ با سازی حساس ی تاریخچه. گردد برمی

ووگل )• سال H. W. Vogel)کار از بعد برلین عنوان 1873در به توان می رادر که کرد بررسی رنگ با رسانا نیمه مواد سازی حساس مهم ی مطالعه اولین

سفید و سیاه عکاسی های فیلم تولید برای هالید نقره های امولسیون آن. شدند سنتز ها رنگ توسط

گرتزل )) • نانو Greatzelپروفسور الکترودهای موفق ترکیب با همکارانش وبار )) ی کننده تزریق های رنگ و سلول Charge Injecting Dyeساختار یک ،از بیش انرژی تبدیل بازده با . 7خورشیدی خورشیدی% سلول این کردند تهیه را

" "   سلول " یا رنگ با شده حساس ساختار نانو خورشیدی سلول عنوان به. شد" نامگذاری گرتزل

با شده حساس خورشیدی های سلول ساختاررنگ

بخش • شامل رنگ با شده حساس خورشیدی سلول ی دهنده تشکیل اجزایذرات نانو شفاف، رسانای اکسید با شده پوشیده ی شیشه همچون مهمی های

اکسید ) دی نور،( Titanium dioxide, TiO2تیتانیوم به حساس های رنگ ، ) ( - می نشت ضد مواد و کاتد شمارشگر الکترود کاهش، اکسایش الکترولیت

. است شده اشاره ها آن نقش به مفید و خالصه طور به زیر در که باشد

شفاف رسانای اکسید با شده پوشیده ی :شیشه

شفاف ) )شیشه• رسانای اکسید با شده پوشیده عنوان Transparent Conducting Oxide, TCOی به. شود می استفاده اکسید دی تیتانیوم فوتوالکترود برای بستر

•. باشد  داشته باال شفافیت و پایین ای صفحه مقاومت باید بستر خورشیدی، سلول باالی عملکرد برای

باالی • دمای در ای صفحه تیتانیوم 500مقاومت الکترود کردن رسوب زیرا باشد؛ دما از مستقل باید درجهدمای در اکسید .450-500دی   شود می انجام درجه

• (( - اکسید  قلع است Indium-Tin Oxide, ITOایندیوم شفاف رسانای اکسیدهای مشهورترین از یکی . هوا مجاورت در باال دمای در آن مقاومت وجود این با باشد می اتاق دمای در پایینی مقاومت دارای که

. یابد می افزایش

شده )) • آالییده اکسید دی قلع ،� فلوئور )Doppedمعموال , Fluorine-doped SnO2 , F:SnO2باSnO2:F)

•. دارد کاربرد رنگ با شده حساس خورشیدی های سلول در شفاف رسانای بستر عنوان به

  اکسید دی تیتانیوم الکترود فوتو

و • فسفید ایندیوم آرسنید، گالیم سیلیکون، مانند موادی از که الکترودهایی فوتوخوردگی اثر بر محلول در نور تابش تحت شوند، می ساخته سولفید کادمیم

. شوند می تجزیه نوری

محلول  • در مرئی تابش تحت اکسید، دی تیتانیوم ویژه به رسانا نیمه اکسیدهای . هستند ارزان و سمی غیر مواد این عالوه به دارند خوبی شیمیایی .پایداری

می  • تهیه ساده بسیار فرایند یک طی اکسید دی تیتانیوم نازک الیه الکترود فوتودی. تیتانیوم ذرات نانو از سلول، بازده افزایش منظور به فرایند این در شود

 . شود می استفاده اکسید

و  • گلیکول اتیلن پلی مانند پلیمری های ترکیب مطلوب، تخلخل ایجاد منظور بهگیری رسوب فرآیند در اکسید دی تیتانیوم کلوییدی محلول داخل به سلولز اتیل

. شود می افزوده

نور به حساس های رنگ

رنگ، • با شده حساس خورشیدی های سلول روی ها بررسی بیشتر در � معموالپیریدین ) پلی روتنیوم های عنوان Ruthenium Polypyridine) کمپلکس به

. - شوند می انتخاب نور به حساس رنگ

• - اکسایش و نوری فیزیک های ویژگی ی گسترده شناخت انتخاب این دلیلشدگی مزدوج سطح تغییر بودن آسان چنین هم و ها کمپلکس این نوری کاهش

((Conjugation در مناسب های گروه معرفی و پیریدین پلی لیگاندهای - می ها آن کاهشی اکسایش و طیفی خواص بهبود منظور به لیگاند اطراف

باشد.

نشان • رنگ هر برای را انرژی تبدیل باالی بازده و مولکولی ساختار زیر شکلدهد : می

نور به حساس های رنگ ترین مهم انرژی تبدیل بازده و مولکولی ساختارهای

های • N719رنگ ، N3 وZ907 ی منطقه از ای گسترده ی دامنه توانند میاز رنگ 800تا 400مرئی که حالی در کنند؛ جذب را ی N749نانومتر ناحیه در

تا نزدیک قرمز .900مادون دارد جذب نانومتر

فلز • از بار انتقال به ها، رنگ این در مرئی و نزدیک قرمز مادون نواحی در جذب. کند می کمک کمپلکس در لیگاند به

سطح • ایزوتیوسیانات قرمز LUMOلیگاند جابجایی یک به منجر و داده کاهش را(Red Shift )از الکترون تر آسان پذیرش چنین هم و کمپلکس جذبی خواص در

. شود می الکترولیت در موجود یدید های یون

•فتالوسیانین، پورفیرین، مانند دیگری های رنگ شده، ذکر های رنگ بر عالوه ) ( - خورشیدی های سلول ساختار در نیز زیر شکل ها آن های مشتق و پریلن

های رنگ با مقایسه در ها آن بازده که شود می استفاده رنگ با شده حساس. است تر پایین پیریدینی پلی

  - کاهش اکسایش :الکترولیتشامل • رنگ با شده حساس خورشیدی های سلول در شده استفاده الکترولیت

( / - یدید تری یدید کاهش اکسایش های را I-/I3) -یون ها الکترون که باشد می . کند می جابجا شمارشگر الکترود و اکسید دی تیتانیوم الکترود فوتو بین

یدید  • مخالف های کاتیون به رنگ با شده حساس خورشیدی سلول عملکردکه دلیل این به است؛ وابسته آمونیوم آلکیل تترا و پتاسیم سدیم، لیتیم، مانند

روی سطحی جذب فرایند در یا الکترولیت در مخالف یون رسانایی قابلیتالکترود رسانایی نوار سطح جابجایی به منجر اکسید، دی تیتانیوم سطح

. شود می اکسید دی تیتانیوم

نتیجه  • در و الکترولیت در یون رسانایی روی مستقیم طور به ها حالل گرانروی. گذارد می اثر سلول عملکرد

• . کرد استفاده کم گرانروی با هایی حالل از باید سلول عملکرد بهبود برای

اضافه • الکترولیت محلول به نیز پیریدین بوتیل ترشیری مانند بازی های ترکیب. دهد بهبود را سلول عملکرد تا شود می

 ) کاتد ) شمارشگر الکترود

کنند • می پیدا کاهش یدید به شمارشگر الکترود در یدید تری های .یون

فعالیت  • باید شمارشگر الکترود یدید، تری های یون کاهش برای. باشد داشته باالیی الکتروکاتالیزوری

ضخامت ) • شفاف رسانای اکسید سطح روی شده داده پوشش 5-10پالتین � تقریبا یا مربع متر سانتی بر ( 200میکروگرم عنوان به � معموال کربن یا نانومتر

. شود می استفاده ها سلول این در شمارشگر الکترود

نشت ضد مواد

نیاز • مورد حالل تبخیر و الکترولیت نشت از جلوگیری برای نشت ضد ی ماده یکاست.

جزء • با مقایسه در نشت ضد ی ماده فوتوشیمیایی و شیمیایی پایداری ( . و اتیلن کوپلیمر سورلین گیرد قرار توجه مورد باید حالل و الکترولیت

) دارد شرایط این با خوبی سازگاری اسید .متاکریلیک

رنگ با شده حساس خورشیدی های سلول عملکردآند  • یک آن در که دانست تجاری قلیایی باتری یک با مشابه را ها سلول این باید

گیرند می قرار مایع الکترولیت طرف دو در کاتد یک .و

آن  • های الکترون و شده رنگ ی الیه وارد شفاف الکترود طریق از خورشید نور. کند می برانگیخته را

حدود  • ممنوعه نوار با رسانا نیمه اکسید دی تیتانیوم ذرات نانو به الکترون ها این5.3. شد خواهد منتقل الکترون ولت،

ایجاد • جریان سپس و الکتریکی میدان ممنوعه، نوار این در الکترون ها جذب بامی شود.

•. می یابد انتقال کاتد به و شده مدار وارد جریان این

الکترولیت • محلول وارد را ها الکترون و دارد را کاتالیزور یک نقش چنین هم کاتد ) / الکترون ها) الکترولیت، در شیمیایی واکنش طریق از تا می کند یدید تری یدید

. شوند رنگ مولکول وارد دوباره

رنگ با شده حساس خورشیدی های سلول عملکردمی   • تبدیل الکتریکی جریان به زیر مراحل طی خورشید نور های فوتون

) زیر ) شکل :شوند

جذب • را شده گسیل فوتون شار اکسید، دی تیتانیوم سطح روی شده نشانده رنگمعادله ) کند (. 1می

پایه )• حالت از رنگ لیگاند، به مرکزی فلز از بار انتقال دلیل حالت( Sبه به. S*برانگیخته ) الکترود( رسانایی نوار به شده برانگیخته های الکترون رسد می

معادله ) شوند می رنگ اکسایش به منجر و شده تزریق اکسید دی (.2تیتانیوم

 

ذرات • نانو بین اکسید دی تیتانیوم رسانایی نوار در شده تزریق های الکترونمی ایجاد را جریان سپس و الکتریکی میدان و یافته انتشار اکسید دی تیتانیوم

کشی. سیم طریق از تا شود می داده انتقال شفاف رسانای اکسید به جریان کنند . برسد الکترولیت محلول سپس و شمارشگر الکترود به خارجی

الکترود  • از را ها الکترون الکترولیت، محلول در موجود یدید تری یونمعادله ) کند می پیدا کاهش یدید یون به و گرفته (.3شمارشگر

شده  )• اکسید یدید( S+رنگ یون از را ها الکترون الکترولیت، محلول با تماس درپایه ) حالت به و کرده ی( ) Sپذیرش معادله گردد از(. 5برمی پس نیز یدید یون

شود می تبدیل یدید تری یون یعنی خود ی شده اکسید حالت به الکترون انتقالی) ( 4معادله

گیری :نتیجه

جایگزینی عنوان به تواند می تجدیدپذیر و پاک منبع یک عنوان به خورشیدی انرژی . از تعدادی راستا، این در شود معرفی فسیلی های سوخت برای مناسب

خورشیدی های سلول بررسی و ساخت به را خود های پژوهش دانشمندان   . که شوند می بندی دسته نسل چهار در خورشیدی های سلول اند داده اختصاصمی تشکیل را سوم نسل از بخشی رنگ، با شده حساس خورشیدی های سلول

خورشیدی. های سلول به نسبت ها سلول این در انرژی تبدیل بازده چند هر دهندشده، ها سلول از نسل این ی توسعه باعث چه آن اما است، تر پایین معدنی

چشم طور به را انرژی تولید که هاست آن عملکرد بر قیمت نسبت بودن پایین . در رنگ با شده حساس خورشیدی های سلول است کرده صرفه به مقرون گیریسلول نوع این روی تر گسترده ی مطالعه تازگی به و هستند توسعه ی چرخه آغاز

. است شده آغاز ها آن بازده افزایش برای امیدبخش کارهای راه ی ارائه و ها

: منابـــــع• 1. Imahori, H., Umeyama, T., Ito, S. “Large π-Aromatic Molecules as Potential Sensitizers for Highly

Efficient Dye-Sensitized Solar Cells”, Accounts of Chemical Research, Vol. 42, pp. 1809-1818, (2009).

• 2.http://dc344.4shared.com/doc/ULh-YoeP/preview.html ( - شماره الملل، بین بولتن شهریور 102ماهنامه¬ی چاپ ،1386)

• 3. http://comamiri2ab.persianblog.ir/post/4/

• 4. http://www.nnin.org/doc/iwsg2008/iwsg2008_organic_solar_cells_ski.pdf (Iyer, S.S.K. “An Introduction to Organic Solar Cells”, International Winter School for Graduate Students 2008, (2008).

• 5. Gourdin, G., “Solar Cell Technology. Current State of the Art”, (2007).

• 6. https://engineering.purdue.edu/~yep/Lectures/solarcell_technology.ppt (Cho, W. S., Wang, X., Moore, J. E., Adam, T. “Solar Cell Technology”).

• 7. Halme, J. “Dye-sensitized Nanostructured and Organic Photovoltaic Cells: Technical Review and Preliminary Tests”, Master’s Thesis at Helsinki University of Technology, (2002).

• 8. Hara, K., Arakawa, H., Luque, A., Hegedus, S. “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering (Chapter 15: Dye-sensitized Solar Cells)”, (2003).

• 9. Kalyanasundaram, K., Grätzel, M. “Efficient Dye-Sensitized Solar Cells for Direct Conversion of Sunlight to Electricity”, Material Matters, Vol. 4, No. 4, pp. 88-91, (2009).

• 10. http://www.solaronix.com/catalog/solaronix_catalog.pdf

• 11. Nelson, J. “The Physics of Solar Cells (Properties of Semiconductor Materials)”, Imperial College Press, (2003).

• 12. Longo, C., De Paoli, M.A. “Dye-Sensitized Solar Cells: A Successful Combination of Materials”, Journal of the Brazilian Chemical Society, Vol. 14, pp. 889-901, (2003).