سولفيد، کاتد، جريان، سيلار

ذرات بزرگتر از 100 نانومتر متغير است. اين مشاهدات نشان مي دهد که آهنگ رشد لايه?ها در لايه ?نشاني متوالي متفاوت از لايه نشاني معمولي مي باشد که مي?تواند بر روي مقاومت لايه نشانده شده و همچنين ميزان بر هم?کنش آن با الکتروليت تأثير بگذارد.
4-5- مشخصات فوتوولتايي سلول هاي ساخته شده بر پايه کاتدهاي مختلف
سلول هاي خورشيدي بر پايه ي نانوذرات تيتانيوم اکسيد حساس شده با ذرات کادميوم سولفيد، کادميوم سلنيد و همچنين لايه ي روي سولفيد به عنوان آند ساخته شدند.
شکل ‏4-9 و جدول ‏4-1 به ترتيب منحني جريان – ولتاژ و خواص فوتوولتائيک مربوط به سلول هايي با کاتد هاي زير رانشان مي دهند:
کاتد مس سولفيد با 6 دوره سيلار
کاتد سرب سولفيد با 6 دوره سيلار
کاتد نانو کامپوزيت مس سولفيد( 3 سيلار)/ سرب سولفيد (3 سيلار)
کاتد نانو کامپوزيت سرب سولفيد (3 سيلار) /مس سولفيد (3 سيلار)
کاتد نانوکامپوزيت با لايه نشاني پي در پي مس سولفيد/سرب سولفيد تا 6 دوره سيلار
در اين تحقيق از هر کدام از سلول هاي فوق، حداقل 2 نمونه ساخته شد و مورد بررسي قرار گرفت.
شکل ‏4-8 شماي?کلي کاتدهاي ساخته شده را نشان مي?دهد.

شکل ‏4-8 . شماي کلي از 5 نوع کاتد ساخته شده را نشان مي?دهد.

شکل ‏4-9. منحني جريان – ولتاژ سلول ها با کاتدهاي متفاوت مس سولفيد و سرب سولفيد و نانو کامپوزيت اين کاتدها

جدول ‏4-1 . مشخصات فوتوولتايي سلول?هاي ساخته شده با کاتدهاي مختلف.
Cathode type
Voc (mv)
J sc (mA/Cm2)
FF
Efficiency
CuS(6)
305
97/4
26/0
4/0
CuS(6)
329
21/2
26/0
2/0
CuS(6)
585
52/4
37/0
99/0
PbS(6)
510
85/11
24/0
48/1
PbS(6)
515
13
2/0
34/1
CuS(3)/PbS(3)
534
36/10
48/0
65/2
CuS(3)/PbS(3)
544
8
23/0
88/1
PbS(3)/CuS(3)
529
1/6
28/0
91/0
PbS(3)/CuS(3)
524
61/7
27/0
1/1
CuS/PbS/CuS/PbS/CuS/PbS
539
4/12
53/0
58/3
CuS/PbS/CuS/PbS/CuS/PbS
498
95/11
38/0
27/2

طبق نتايج به دست آمده، بازده کاتد سرب سولفيد نسبت به مس سولفيد بيش?تر است و بازدهي اين سلول?ها تا بيش از 3 برابر افزايش يافته است.(CuS)=0.4%)h ،(PbS)=1.48% h) همچنين جريان مدار کوتاه و ولتاژ مدار باز در سلول?هايي با کاتد سرب سولفيد نسبت به مس سولفيد افزايش حائز اهميتي داشته است. بررسي خواص فوتوولتائيک مربوط به کاتدهاي CuS(3)/PbS(3) و PbS(3)/CuS(3) نشان مي?دهد که اگر آغاز هر لايه?نشاني کاتد، با مس سولفيد شروع شود و با سرب سولفيد پايان يابد نتايج مطلوب?تر است و بازدهي از 1/1 % به 65/2 % افزايش يافته که اين بازده قابل قبولي به نظر مي?رسد همچنين جريان از(mA/Cm2) 61/7 به(mA/Cm2) 36 /10 افزايش يافت و متعاقباً فاکتور کارکرد در سلول?ها با کاتد?هاي نانو کامپوزيتي CuS(3)/PbS(3) در مقايسه با کاتد?هاي PbS(3)/CuS(3) افزايش چشمگير دارد. به دليل بالاتر بودن بازده کاتد CuS(3)/PbS(3) نسبت به PbS(3)/CuS(3) از اين به بعد کليه کاتدها با لايه?نشاني لايه?ي مس سولفيد آغاز شد و لايه?ي آخر کاتد سرب سولفيد است. بازده سلول با کاتد CuS/PbS/CuS/PbS/CuS/PbS برابر با 58/3 % به دست آمد که نسبت به بازده کاتدهايي با لايه?ي مس سولفيد يا سرب سولفيد به ترتيب تقريباً 9 برابر و 5/2 برابر شده است. جريان مدار کوتاه و ولتاژ مدار باز نيز در اين سلول به ترتيب تا(mA/Cm2) 4/12 وmV 539 افزايش يافته است. همچنين افزايش 2 برابري فاکتور کارکرد در مس سولفيد و سرب سولفيد موجب شد که در اين تحقيق به عنوان کاتدي مناسب انتخاب شد و به بهينه?سازي?هايي جهت بهبود کارکرد و خواص فوتوولتائيک آن انجام شد. اين مي?تواند نشان دهد که لايه?هاي ترکيبي که به وسيله?ي روش سيلار رشد داده شده?اند در مقايسه با لايه?هاي مس سولفيد يا سرب سولفيد خواص کاتاليستي بهتري با الکتروليت پلي سولفيد از خود نشان مي??دهند.
شکل ‏4-10 منحني جريان- ولتاژ سلول ها در تاريکي را نشان مي دهد. همان طور که در اين شکل مشخص است سلول هايي که کاتد آن ها مس سولفيد است، داراي بيشترين جريان تاريکي هستند که مي تواند دليلي براي بازدهي کم آنها در مقايسه با ديگر سلول ها باشد.
براي اطمينان از تکرار پذيري اين نتايج، آناليزها را براي کاتد هاي نانو کامپوزيتي و ساخت سلول هاي جديد تکرار کرديم. مشخصات فتوولتايي و منحني جريان – ولتاژ اين سلول ها با افزايش تعداد سيکل ها به ترتيب در جدول ‏4-2 و شکل ‏4-11 آمده است. در اين جا تعداد سيکل هاي سيلار کاتدهاي نانو کامپوزيتي مس سولفيد / سرب سولفيد از 2 سيلار شروع و تا 8 سيلار ادامه داده شده است.
جدول ‏4-2. مشخصات فوتولتايي سلول ها با کاتد هاي نانو کامپوزيتي با تعداد مختلف سيکل سيلار
Cathode
Voc (mv)
J sc (mA/Cm2)
FF
Efficiency
(CuS/PbS)
(2 SILAR)
539
95/8
33/0
57/1
(CuS/PbS/CuS/PbS)
(4 SILAR)
534
98/5
54/0
73/1
(CuS/PbS/CuS/PbS/CuS/PbS)
(6 SILAR)
465
69/13
35/0
23/2
(CuS/PbS/…./CuS/PbS)
(8 SILAR)
574
87/12
49/0
63/3

همان طور که از جدول ‏4-2 مشاهده مي?شود با افزايش تعداد سيکل هاي سيلار نانو کامپوزيت هاي مس سولفيد / سرب سولفيد بازدهي سلول ها و همچنين فاکتور کارکرد تا حدي افزايش يافته است.
منحني جريان – ولتاژ در تاريکي اين سلول ها در شکل ‏4-12 آمده است.

شکل ‏4-12 . منحني جريان – ولتاژ در تاريکي سلول هاي ساخته شده از کاتدهاي نانو کامپوزيتي مس سولفيد/ سرب سولفيد در تعداد سيکل هاي سيلار مختلف
همان طورکه درجدول 4-2 مشاهده مي شود بازدهي سلولها با کاتد (3)[ CuS/PbS] و (4)[ CuS/PbS] از بقيه بيشتر است. مشخصهي مربوط به جريان-ولتاژ در تاريکي مربوط به سلو
لهاي (1)[ CuS/PbS]، (2)[ CuS/PbS] و (3)[ CuS/PbS] در شکل ‏4-12 نشان داده شده است. در اين سلولها فوتوآند يکسان است بنابراين مقدار بازترکيب بين فوتوآند و الکتروليت براي همهي نمونهها يکسان فرض شده و جريان تاريک که نشاندهندهي جريان معکوس يا بازترکيبي در داخل سلول است، متأثر از کاتدها مي‌باشد. همان طور که منحنيها نشان ميدهند جريان تاريک در کاتد (3)[ CuS/PbS] بيشتر از کاتد (2)[ CuS/PbS] و (1)[ CuS/PbS] مي‌باشد که اين أمر به اين معناست که فعاليت کاتاليستي در کاتد (3)[ CuS/PbS] نسبت به دو کاتد ديگر بهبود يافته است. در آناليز جريان تاريک با اعمال ولتاژ باياس مستقيم، الکترونها وارد شبکه تيتانيوم دي اکسيد ميشوند. اين الکترونها S2-x را به S2– تبديل ميکنند و در نهايت نزديک الکترود کاتد اين S2– ها به S2-x – تبديل ميشوند و هر چقدر خواص کاتاليستي الکترود کاتد بهتر باشد، نرخ واکنش اکسايش بالاتر مي رود و در واقع مقدار بيشتري از S2– ها به S2-x- تبديل ميشود و در نهايت مانع از کمبود S2-x – در نزديکي تيتانيوم دي اکسيد مي شود. بنابراين جريان تاريک بيشتري هم دارد. مشابه اين روند در سلولهاي DSSCs در الکتروليت اکسايشي-کاهشي I-/I3- نيز مشاهده ميشود.
4-6- بررسي اثر افزايش تعداد سيکل هاي سيلار در ساخت کاتد هاي نانو کامپوزيتي
با توجه به روند رو به افزايشي که در بازدهي و فاکتور کارکرد سلول هايي با کاتد هاي نانو کامپوزيتي ساخته شده به روش پي در پي ديده شد، ساخت کاتد?ها را 14 سيکل سيلار را ادامه داديم و سلول هاي جديدي ساختيم. مشخصات فتوولتايي و منحني جريان-ولتاژ اين سلول ها به ترتيب در جدول ‏4-3 و شکل ‏4-13 آمده است.
جدول ‏4-3. مشخصات فتوولتايي سلول هاي ساخته شده با افزايش تعداد سيکل هاي سيلار کاتدهاي نانو کامپوزيتي مس سولفيد / سرب سولفيد
Cathode Type
Voc (mv)
J sc (mA/Cm2)
FF
Efficiency
(CuS/PbS/…./CuS/PbS)
(8 SILAR)
574
87/12
49/0
63/3
(CuS/PbS/…./CuS/PbS)
(10 SILAR)
539
68/7
41/0
72/1
(CuS/PbS/…./CuS/PbS)
(10 SILAR)
475
9/7
47/0
77/1
(CuS/PbS/…./CuS/PbS)
(12 SILAR)
465
33/7
39/0
33/1
(CuS/PbS/…./CuS/PbS) (12 SILAR)
499
13/8
39/0
59/1
(CuS/PbS/…./CuS/PbS) (14 SILAR)
525
58/8
39/0
75/1
نتايج نشان داد که با 8 سيکل سيلار پي در پي مس سولفيد / سرب سولفيد …/سرب سولفيد بازدهي به مقدار بهينه اي مي?رسد و از آن به بعد اين روند رو به کاهش در بازدهي، مي تواند به خاطر افزايش مقاومت انتقال بار در فصل مشترک کاتد و الکتروليت و افزايش مقاومت سري در سلول باشد.

شکل ‏4-13 . منحني جريان – ولتاژ (در روشنايي) سلول هاي ساخته شده با افزايش تعداد سيکل هاي سيلار کاتد هاي نانو کامپوزيتي

در شکل ‏4-14 منحني?هاي جريان-ولتاژ در تاريکي را در 4 سلول با کاتدهاي مختلف مشاهده مي?شوند و تأثير تعداد دفعات لايه نشاني لايه?ي ترکيبي [CuS/PbS] را بر روي جريان نشان? مي?دهد که با افزايش تعداد دفعات لايه?نشاني سيلار جريان باز ترکيبي رو به افزايش است. شکل ‏4-15 منحني افت ولتاژ در اين سلول ها را نشان ميدهد. اين سلول ها را به مدت 5 ثانيه تحت تابش AM 1.5 با شدت 100 mW/Cm2 قرار داده ايم و سپس نور را قطع کرده و افت ولتاژ را به مدت 120 ثانيه ثبت کرديم. همان طور که اين منحني نشان مي دهد ولتاژ سلولي که داراي کاتد نانوکامپوزيتي با 8 سيکل سيلار مس سولفيد / سرب سولفيد مي باشد با سرعت کمتري نسبت به ديگر سلول ها افت مي کند و اين منحني نشان دهنده?ي سرعت بازترکيب است که در 8 سيکل سيلار اين منحني با شيب کمتري افت مي کند بنابراين سرعت بازترکيب در اين سلول کمتر است. همان طور که در جدول ‏4-2 مشاهده مي شود، سلول?هاي ساخته شده با 8 سيلار لايه نشاني کاتد داراي ولتاژ بالاتري نسبت به ديگر سلول?ها هستند که مي?تواند به دليل ميزان بازترکيب کمتر در اين سلول?ها باشد.

شکل ‏4-14 . منحني جريان – ولتاژ (در تاريکي) سلول هاي ساخته شده با افزايش تعداد سيکل هاي سيلار کاتد هاي نانو کامپوزيتي

شکل ‏4-15 . منحني افت ولتاژ مدار باز با زمان (در روشنايي) سلول هاي ساخته شده با افزايش تعداد سيکل هاي سيلار کاتد هاي نانو کامپوزيتي
4-7-آناليز امپدانس الکتروشيميايي
براي بررسي کاتد ها از آناليز امپدانس الکتروشيميايي استفاده شد، از آن جا که در سلول?ها آند و الکتروليت ثابت است بنابراين در اين آناليز به بررسي و نحوه?ي انتقال بار از کاتدها به الکتروليت پرداخته شد و به اين منظور 3 سلول? کاتد-کاتد با کاتدهاي CuS(6 SILAR) ، PbS(6 SILAR) و CuS/PbS/…/CuS/PbS(8 SILAR) ساخته شد و بعد از بستن سلول با همان روش ذکر شده در بخش (3-3-4) بين دو الکترود کاتد الکتروليت پلي سولفيد تزريق شد و آناليز امپدانس در تاريکي را براي 3 سلول کاتد-کاتد فوق با اعمال ولتاژ باياس مستقيم 2/0 ولت در بازه?ي فرکانسي 100 کيلو هرتز تا 1/0 هرتز انجام گرفت. شکل 4-16 نمودار نوعي را نشان مي?دهد که سلول?ها با اين مدار توسط نرم?افزار Zview مدل شده اند. در اينجا Rs بيانگر مقاومت سري، Rct بيانگر مقاومت انتقال بار، CPE بيانگر ظرفيت خازن غير ايده آل و Ws بيانگر مقاومت نفوذ بار در الکتروليت است. از آناليز امپدانس الکتروشيميايي اين سلول هاي متقارن ( کاتد-کاتد) مقاومت سري (Rs) و مقاومت انتقال بار (Rct) در فصل مشترک کاتد و الکتروليت اندازه?گيري شد.(جدول ‏4-4(

جدول ‏4-4 . مقاومت سري (Rs) و مقامت انتقال بار (Rct) از کاتد به الکتروليت که از آناليز EIS اندازه?گيري شد.
Counter Type
Rs(?cm2)
Rct(?cm2)
CuS(6S)
30/5
15/33
PbS(6S)
97/6
61/82
CuS/PbS/…./CuS/PbS (8S)
93/4
42/8
جدول ‏4-4 نشان مي?دهد که مقاومت انتقال بار (RCt) از کاتد به
الکتروليت در سلول نانو کامپوزيتي نسبت به کاتد?هاي مس سولفيد و سرب سولفيد که مقاومت انتقال بار در آن?ها به ترتيب(?cm2) 15/33 و(?cm2) 61/82 مي?باشد تا(?cm2) 42/8 کاهش يافته ?است که اين کاهش بار ديگر تصديق مي?کند که خواص کاتاليستي کاتد?هاي ترکيبي بهتر از کاتدهاي مس سولفيد و سرب سولفيد مي?باشد و مقامت کمتري در تبادل الکترون از خود نشان مي?دهند در نتيجه کاتدهاي ترکيبي عملکرد مناسبتري دارند. همان?طور که نتايج نشان مي?دهد مقاومت سري در سلول?ها با وجود اينکه تغيير قابل توجهي نداشته ولي در کاتد هاي ترکيبي به مقدار کمي کاهش يافته است.
در جهت تأييد نتيجه?گيري فوق از اندازه?گيري منحني? هاي جريان- ولتاژ در تاريکي نيز استفاده شد که در شکل ‏4-17 منحني?هاي مربوط به جريان تاريکي در سه سلول با کاتدهاي فوق نيز بررسي شد.

شکل ‏4-17 . منحني جريان – ولتاژ تاريک و بررسي اثر کاتدهاي ترکيبي
همان طور که منحني?ها ي جريان تاريک سلول ها نشان مي?دهند در سلول هاي فوق با توجه به ثابت بودن فوتوآند، جريان در تاريکي در کاتدهاي ترکيبي نسبت به کاتد مس سولفيد و سرب سولفيد بيشتر است و اين مي?تواند به دليل تبادل بهتر الکترون در اين کاتدها باشد که بهتر الکترون رااز الکتروليت گرفته و منتقل مي?کنند.

4-7- بررسي گرافن به عنوان کاتد در QDSSCs
امروزه مواد مختلفي از جمله پلاتين ، گرافن ، مس سولفيد ، سرب سولفيد ،طلا و….به عنوان کاتد براي QDSSCs معرفي شده اند.[104،105،106،107،108،109،110،50] گرافن (G) داراي خواص منحصر به فردي از جمله رسانايي الکتريکي قابل توجه و تحرک پذيري بالاي حامل هاي بار است .گرافن به صورت صفحاتي هستند که ساختار دو بعدي به شکل لانه زنبوري کربني دارند. در دو بعد ابعاد آن مايکرويي ودر بعد ضخامت نانويي مي باشد [111].
برخي از گرافن در ساختار آند استفاده مي کنند و در خمير TiO2 گرافن را وارد مي کنند که به انتقال الکترون در داخل ساختار کمک مي کند.TiO2 يک نيمه رسانا است که وقتي در معرض نور قرار مي گيرد خاصيت رسانايي دارد براي همين با به کار بردن گرافن در خمير TiO2 مي توان به انتقال و تحرک پذيري الکترون کمک کرد. در اين تحقيق از ساختار گرافن به دليل سه خاصيت : 1) کاتاليستي 2) انتقال الکترون 3) سطح مؤثر بالا در ساخت کاتد استفاده کرديم.
همان طور که در بخش هاي قبل آورده شده است مس سولفيد و سرب سولفيد را به طور مجزا به عنوان کاتد مورد بررسي قرار داديم و نتايج نشان داد کاتد سرب سولفيد در مقايسه با مس سولفيد بازدهي سلول را افرايش مي دهند بنابراين کاتد هاي گرافن و ترکيب آن با سرب سولفيد مورد بررسي قرار گرفت.
4-7-1-ساخت کاتد با پوشش گرافن و کامپوزيت آن با سرب سولفيد
در سلول هاي خورشيدي ساخته شده ، زير لايه ي FTO پوشش داده شده با سرب سولفيد

دیدگاهتان را بنویسید