نيمه?هادي، اکسيدي، کوانتومي، لايه

که از مرتبه 10-7 ثانيه مي?باشد بنابراين فرايند تزريق الکترون با کمترين اتلاف و با بازدهي نزديک به 100% انجام مي?شود. تزريق الکترون و نفوذ آن از ميان لايه?ي متخلخل TiO2 به زير لايه از مرتبه ميلي?ثانيه مي باشد. اين انتقال به طور قابل ملاحظه?اي وابسته به شدت تابش است و سرعت آن با تابش قوي?تر افزايش مي?يابد که اين به واسطه?ي تله?هاي موجود در ساختار TiO2 مي?باشد که به صورت تدريجي پر مي?شوند و بنابراين در شدت?هاي بالاتر، اين تله?هاي الکتروني سريع?تر پر مي?شوند[58].

شکل ‏2-10 . زمان انتقال بار براي DSSCs (نمودار بالايي) و براي SSSCs (نمودار پاييني) را نشان ميدهد. خطوط تو پر مشکي رنگ نشان?دهنده?ي انتقال?هاي بار به صورت دلخواه مي?باشند و خطوط خط چين مشکي فرايندهاي اتلافي را نشان مي?دهند ، پيکان?هاي خط چين قرمز رنگ پديده?ي به تله افتادن الکترون در نيمه?هادي جاذب را نشان مي?دهند که ممکن است سبب باز ترکيب شوند. مستطيل قرمز در فصل مشترک نيمه?هادي و اکسيد فلزي در SSSCs ترازهاي سطحي در نيمه?هادي جاذب نور را نشان مي دهند. پيکان 10-12-10-10 ثانيه مدت زمان به تله افتادن الکترون?هاي نوار رسانش تا رسيدن به ترازهاي سطحي را نشان ميدهد. زمان بازترکيب?ها که از 10-11-10-6 ثانيه داده?شده است شامل بازترکيب?هاي نوار به نوار و بازترکيب ميان تله?اي نيز مي?باشند [56].
فرايند انتقال بار در TiO2 با فرايند?هاي تزريق الکترون در لايه اکسيدي و تزريق آن به الکتروليت پلي?يدايد يا برگشت آن به گونه?ي اکسيد شده در رنگدانه رقابت مي?کند. خوشبختانه کاهش پلي?يدايد در سطح TiO2 خيلي آهسته اتفاق مي?افتد که اين فرايند اجازه مي?دهد اکثر الکترون?ها به آرامي به زيرلايه نفوذ کنند و ايجاد جريان کنند. سرعت برگشت الکترون از TiO2 به کاتيون رنگدانه از مرتبه?هاي متفاوت مي?باشد و وابسته به شرايط است اما براي سلول?هاي خوب در حالت مدار کوتاه از مرتبه?ي 10-4 مي?باشد که اين فرايند با احياي رنگدانه توسط الکتروليت که بسيار سريع?تر از 10-8 ثانيه اتفاق مي?افتد، رقابت مي?کند. بنابراين زمان?هاي انتقال بار مستقيم بسيار سريع?تر از مسيرهاي بازترکيبي بوده و اين بدين معناست که تا زماني که جذب نور توسط رنگدانه به خوبي انجام شود، جمع?آوري الکترون بهبود يافته و متعاقباً جريان بيش?تري در سلول توليد مي?شود. در شکل ‏2-10 باز ترکيب از طريق زير?لايه در نظر گرفته نشده? است اگرچه ميزان آن در شدت?هاي بالاي نور در DSSCs بسيار کم است ولي در شدت?هاي کمتر تابش اين ميزان افزايش مي?يابد و اين فرايند در سلول?هاي جامد خيلي مهم است .
در SSSCs داده?هاي زيادي براي زمان انتقال در دست نيست به علاوه بايد به اين مسئله توجه داشت که زمان?هاي مطرح شده درشکل ‏2-10 براي DSSCs ،براي سلول?هاي بهينه شده بوده ولي در مورد SSSCs اعداد آورده شده از روي برخي از نتايج به دست آمده است. سريع?ترين زمان?هاي گزارش شده از مرتبه?ي پيکوثانيه و مربوط به انتقال بار از Cd3P2 [59] CdS [60] به TiO2 بوده است. اخيراً زمان?هايي از مرتبه چند ده پيکوثانيه براي انتقال بار از CdS به TiO2 و 16 پيکوثانيه براي CdSe به TiO2 گزارش شده است. براي نيمه?هادي?هايي که با روکش آلي پوشش داده شده?اند و همچنين براي نانوکريستال?هايي که به وسيله?ي مولکول اتصال دهنده به TiO2 متصل شدند، زمان طولاني?تري نسبت به نيمه?هادي?هايي که به طور مستقيم به TiO2 اتصال داده شده?اند انتظار مي?رود. بنابراين زمان?هاي اندازه گيري شده?ي تزريق الکترون براي CdSe هايي 3 نانومتري که به وسيله ي مولکول اتصال دهنده به TiO2 متصل هستند از چند پيکوثانيه تا 100 پيکوثانيه متغير است. همچنين ميانگين طول عمر الکترون براي همين سيستم?ها تا حد زيادي به اندازه?ي کريستال CdSe وابسته است (کمتر از 100 پيکوثانيه براي CdSe4/2 نانومتري تا 100 نانوثانيه براي CdSe 5/7 نانومتري)[61]. مقايسه?ي زمان?هاي بازترکيب الکترون وحفره در نيمه?هادي نشان مي?دهد اين زمان?ها چندين مرتبه بزرگي با هم متفاوت هستند. در نيمه?هادي?هاي گروه VI-II که روي آن?ها پوشش داده?شده وسطح آن?ها غير فعال شده است، زمان باز ترکيب الکترون-حفره (طول عمر الکترون) 10-9 ثانيه محاسبه شده است. براي نيمه?هادي?هاي معمولي اين زمان سريع?تر مي?باشد. نيمه?هادي?هايي مانند CuxS با سرعت بيش?تري بازترکيب مي?شوند که اين بازترکيب با نرخ تزريق الکترون به TiO2 رقابت مي?کند. در PbS که جزء حساس?کننده?هاي نيمه?هادي است که در SSSCs به کار مي?رود نرخ بازترکيبي از مرتبه?ي ميکروثانيه مي?بشد. بازترکيب ممکن است نوار به نوار يا از طريق تله?هاي مياني باشد.
در واقع يکي از تفاوت?هاي اساسي بين DSSC و SSSC وجود تله?هاي سطحي نيمه?هادي در SSSC مي?باشد. زمان انتقال الکترون در اکسيد پروس در سلول?هاي حساس شده به رنگدانه و نيمه?هادي تقريباً مشابه يکديگر مي?باشد. زمان بازترکيب الکترون از نيمه?هادي اکسيدي با الکتروليت نيز (با فرض الکتروليت پلي يديد) در اين دو نوع سلول قابل مقايسه مي?باشند. اگرچه گونه?ي جذب شده مانند رنگدانه و نيمه?هادي به واسطه ي تأثير آن?ها روي حالات سطحي نيمه?هادي اکسيد شده مهم است.
ديگر تفاوت اين سلول?ها مربوط به الکتروليت آن?هاست، الکتروليت مرسوم پلي يدايد که در DSSCs به کار مي?روند باعث ايجاد خوردگي در اکثر نقاط کوانتومي مي?شوند و بنابراين نقاط کوانتومي در آن پايدار نيستند. بنابراين امروزه بيش?تر الکتروليت پلي?سولفيد در QDSSCs به کار مي?رود.
يک سلول خورشيدي حساس شده با رنگدانه بر پايه جذب يک تک لايه از رنگدانه روي سطح اکسيدي مي?باشد و جذب بيش از ي
ک لايه رنگدانه منجر به کاهش فوتوجريان مي?شود بنابراين با افزايش سطح توسط لايه?ي متخلخل نيمه?هادي اکسيدي بستري مناسب براي جذب نور موردنياز با يک تک?لايه فراهم مي شود. اما در سلول?هاي خورشيدي حساس شده با نيمه?هادي در شرايط مساوي (با سلول?هاي رنگدانه?اي) ممکن است بيش از يک تک لايه از بلورهاي نيمه?هادي بر روي نيمه?هادي اکسيدي جذب شود. اگرچه فيزيک آن?ها متفاوت است و لزوماً افزايش بلورهاي نيمه?هادي مانع انتقال بار به لايه اکسيدي نمي?شود.( دو حالت وجود دارد در اين انتقال ممکن است بلورهاي بزرگ?تر بر روي بلورهاي کوانتيزه کوچک?تر که به لايه اکسيدي متصل هستند لايه?نشاني شوند که در اين?جا در واقع انتقال بار از بلورهاي مجاور با لايه?ي اکسيدي که باند انرژي بزرگ?تري دارند به بلورهايي که در فواصل دورتر از لايه اکسيدي قرار دارند و باند انرژي کوچکتري دارند اتفاق مي?افتد در شرايط بر عکس هنگامي که بلورهاي بزرگ?تر در مجاورت لايه اکسيدي قرار دارند شرايط ممکن است مطلوب?تر باشد) به هرحال آن?چه در مورد چند لايه از نيمه?هادي بر روي لايه اکسيدي محتمل است کاهش شديد نرخ انتقال الکترون از بلورهايي که به لايه?ي اکسيدي متصل نيستند به نيمه هادي اکسيدي و افزايش شانس بازترکيب الکترون?هاي موجود در بلور با حفره?هاي موجود در بلور?هاي مجاور و يا بازترکيب غيرمستقيم اين الکترون?ها با الکتروليت مي?باشد. اين مفهوم در شکل ‏2-11 نشان داده? شده است.

شکل ‏2-11 .(A): انتقال بار از يک بلور نيمه?هادي برانگيخته به يک ذره?ي اکسيدي .(B): دو ذره?ي بلور نيمه?هادي متصل که تنها يکي از آن?ها به لايه?ي اکسيدي متصل است و توليد بار در بلوري که به لايه اکسيدي متصل نيست اتفاق مي?افتد [56].
براي يک تک لايه?ي جاذب از بلورهاي نيمه?هادي که در تماس با نيمه?هادي اکسيدي و الکتروليت مي?باشد، الکترون وحفره به ترتيب مي?توانند بدون عبور از فاز مياني به نيمه?هادي اکسيدي و الکتروليت منتقل شوند(شکل 2-14-A). براي يک کريستال نيمه?هادي برانگيخته که در تماس مستقيم با نيمه?هادي اکسيدي نيست از طريق کريستال نيمه?هادي ديگر اين انتقال ممکن است(شکل 2-14-B). اگرچه حفره هنوز اين شانس را دارد که با الکتروليت ترکيب شود ولي الکترون ابتدا بايد از بلور مجاور عبور کند و سپس به نيمه هادي اکسيدي تزريق شود که اين نرخ تزريق الکترون را کاهش مي?دهد چون که الکترون در تله?هاي موجود در نيمه?هادي?ها گير مي?افتد. گزارش?هاي بسياري مبني بر کاهش بازدهي توليد جريان از تابش?هاي فرودي (بازده کوانتومي) با افزايش ميزان نيمه?هادي جذب شده بر روي سطح آن?ها از يک مقدار مشخص گزارش شده?است.[62،63،64،65] چندين دليل براي توجيه اين مسئله وجود دارد از جمله افزايش اندازه?ي بلور?ها با افزايش پوشش?دهي( که معمولاً به روش غوطه?وري مي?باشد) که منجر به کاهش گاف انرژي به واسطه?ي اثر کوانتومي اندازه مي?شود که در واقع نوار رسانش نيمه?هادي پايين مي?آيد اگر نوار رسانش نيمه?هادي پايين?تر از نوار رسانش نيمه?هادي اکسيدي قرار گيرد، تزريق الکترون به طور کلي اتفاق نمي?افتد. اين نشان مي?دهد که تعداد نقاط کوانتومي بر روي سيستم تأثير دارد و اين تأثير همچنين در CdS و CdSe که نوار رسانش در آن?ها انتظار مي?رود در بالاي نوار TiO2 قرار داشته?باشد، صدق مي?کند. شکل ‏2-12بازدهي کوانتومي توليد فوتوجريان را براي CdS که روي TiO2 به تعداد متفاوت لايه نشاني شده? است را نشان مي?دهد. افزايش جريان در 5 لايه?ي اول CdS به واسطه?ي جذب بيش?تر نور به وسيله?ي CdS اتفاق مي?افتد ولي براي تعداد بيش?تر لايه?هاي CdS دوباره کاهش مي?يابد.

شکل ‏2-12 . منحني بازدهي توليد جريان از تابش فوتون فرودي (IPCE) براي لايه?هاي TiO2 حساس شده با CdS ، که هر بار پوشش شامل غوطه ور کردن TiO2 در پيش ماده Cd2+ و شستشو با آب و فروبردن در محلول آبي سولفيدي و شستشو دوباره مي?باشد[60].
نکته?ي مهم ديگر جابه?جايي پاسخ جريان به سمت طول موج?هاي قرمز مي ?باشد که براي مقادير کوچک لايه?نشاني بين 1 تا 2 بار پوشش?دهي اين موضوع به دليل جابه?جايي لبه جذب به سمت طول?موج?هاي بزرگ?تر با افزايش اندازه نقاط کوانتومي مي?باشد. به عنوان دليل مضاعف مبني بر کاهش جمع?آوري بار و کاهش جريان وقتي که بيش از يک لايه?ي بلوري متصل با لايه?ي اکسيدي لايه?نشاني شود، مي?توان به افزايش بازدهي کوانتومي لايه?ي ZnO حساس?شده با CdSe ?در يک فرايند پخت حرارتي اشاره کرد که زماني به بيش?ترين بازدهي مي?رسد که يک تک لايه?ي بلوري ضخيم از CdSe تشکيل شده باشد. شکل ‏2-13 پاسخ طيفي براي لايه?ي ZnO/CdSe را به عنوان تابعي از دما نشان مي?دهد. در اين جا لايه?ي CdSe با ضخامت 40 نانومتر به روش الکتروشيميايي بر روي نانو سيم?هاي ZnO پوشش داده شده است اندازه?ي نانوبلورها برابر با 5-4 نانومتر بوده[66] و بنابراين 8-10 لايه بلوري بر روي هر نانوسيم ZnO پوشش داده شده است با توجه به تغيير الگوي پراش اشعه ايکس (XRD) CdSe/ZnO به عنوان تابع حرارتي در شکل ‏2-13(b) مشاهده مي?شود که اندازه?ي بلورها تا دماي °C250 به ميزان کمي افزايش مي?يابد و مقادير بازدهي کوانتومي به ميزان کمي تغيير مي?کند. در دماي °C350 اندازه?ي بلورها تقريباً به 20 نانومتر مي?رسد که به معناي وجود تنها 2 لايه از CdSe بر روي ZnO مي?باشد. در دمايC °400 اندازه?ي بلورها به 40 نانومتر يا بيش?تر مي?رسد و بنابراين يک تک لايه از بلورهاي CdSe بر روي سطح قرار گرفته?اند و بازدهي کوانتومي به بيشينه مقدار خود مي?رسد. اين نتايج نشان مي?دهد که به منظور ايجاد جريان?هاي بالا و بهينه کردن سلول?ها ميزان پوشش
نقاط کوانتومي بر روي سطح بايد به گونه?اي باشد که در عين اين که جذب نوري به مقدار مناسب باشد، تنها يک تک لايه از اين ذرات بر روي سطح ايجاد گردد که با انتخاب تخلخل( نسبت سطح به حجم) مناسب مي?توان ميزان جذب را نيز کنترل کرد و تعداد بيش?تري نقاط کوانتومي روي لايه?ي اکسيدي نشاند.

شکل ‏2-13 . منحني IPCE لايه?ي ZnO/CdSe به ازاي دماي مختلف پخت حرارتي (a). طيف XRD الکترودهاي ZnO/CdSe برحسب دماي پخت حرارتي که C و H در شکل نشان دهنده?ي فاز مکعبي و هگزاگونال CdSe مي?باشد(b)[67].
مروري بر نقاط کوانتومي به کار برده شده در QDSSCs به عنوان حساس کننده
همان?طور که در بخش?هاي قبلي ذکر شد، نقاط کوانتومي به دو روش بر روي آند پوشش داده مي?شوند. (بخش 2-6-2-2) مطالعات بسياري جهت بهينه?سازي عملکرد نقاط کوانتومي به عنوان حساس کننده و جاذب نور در ساخت QDSSCs انجام شده است. براي اين منظور، از انواع مختلف حساس?کننده?ها براي افزايش عملکرد و بازدهي اين سلول?ها بهره گرفته شده ومقايسه?اي انجام شده است که در اين?جا ماکسيمم مقدار پارامترهاي مهم فوتوولتائيک از جمله فاکتور کارکرد (FF)34 ،ولتاژ مدار باز (Voc)35، جريان مدار کوتاه ( JSC)36 و بازدهي (h) براي نقاط کوانتومي مختلف به عنوان جاذب نور در آند بررسي شده ودر جدول ‏2-1 با هم مقايسه شدند.
جدول ‏2-1 .نقاط کوانتومي مختلف که به عنوان حساس?کننده در QDSSCs به کار مي?روند.
مرجع
h (%)
FF (%)
JSc (mA/Cm2)
Voc (v)
الکتروليت
الکترود کاتد
آند حساس شده با نقاط کوانتومي
شماره
[68[
26/0
45
92/0
63/0
يون کبالت حل?شده در استونيتريل و اتيلن کربنات
Hg/Hg2SO4
TiO2/AgInSe2
1
[69[
38/0
37
44/4
23/0
1 مولار سديم سولفيد، 1 مولار گوگرد
Carbon
TiO2/CuInS2
2
[70[
21/1
3/24
33/3
15/0
5/0 مولار سديم سولفيد، 2 مولار گوگرد ، 2/0 مولار پتاسيم کلريد و 5/0 مولار سديم هيدروکسيد
Pt
TiO2/Ag2Se/ZnS
3
]71[
23/1
49
84/3
32/0
5/0 مولار سديم هيدروکسيد، 5/0 مولار پلي سولفيد، 5/0 مولار سديم سولفيد
Pt
TiO2/PbS
4
[72]
47/1
58
57/5
45/0
2 مولار سديم سولفيد، 2 مولار گوگرد در محلول آبي
Carbon
TiO2/CdS
5
]73[
83/3
53
9/13
57/0
پلي سولفيد
CuS
TiO2/CdSe
6
[70]
21/4
66
56/13
65/0
1 مولار سديم سولفيد، 1 مولار گوگرد در آب
CuS
TiO2/CdS/CdSe/ZnS
7
[74]
15/0
35
21/1
34/0
پلي سولفيد
Pt
TiO2/PbS/CdS
8
[72]
02/2
30
58/0
5/11
پلي سولفيد
Pt
TiO2/CdS/PbS
9
[75]
6/1
35
1/9

1 مولار سديم سولفيد، 1 مولار گوگرد
Pt
TiO2/CdS/CdSe/ZnS
10
[73]
9/1
32
2/11

1 مولار سديم سولفيد، 1 مولار گوگرد
CoS
TiO2/CdS/CdSe/ZnS
11
[73]
7/2
35
9/13

1 مولار سديم سولفيد، 1 مولار گوگرد
CuS
TiO2/CdS/CdSe/ZnS
12
نوع ماده?ي نيمه هادي به کار برده شده در آند، الکترود کاتد و همچنين الکتروليت، در ادامه براي مقايسه بهتر مورد بررسي قرار مي?گيرد.
نقاط کوانتومي به کاربرده شده در QDSSCs به عنوان حساس?کننده شامل

دیدگاهتان را بنویسید