1. عنوان: سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
نویسندگان : 1- نعیمه مشتعل آرانی امیر لندرانی اصفهانی

3. معرفی سلولهای خورشیدی و نسلهای مختلف آن
تأمین انرژی مورد نیاز بشر توسط منابع گوناگونی انجام می‌شود.
بخش عمده‌ای از انرژی را سوختهای فسیلی مانند نفت، زغال سنگ و گاز طبیعی تشکیل می‌دهد.
گسترش منابع انرژی متنوع و تجدیدپذیر برای کاهش نشر کربن دی اکسید، متان و دیگر مواد مضر امری ضروری است.

4. معرفی سلولهای خورشیدی و نسلهای مختلف آن
خورشيد از منابع انرژي رايگان، پاك و عاري از اثرات مخرب زيست محيطي است.
در سالهای اخیر، استفاده از این منبع انرژی باعث به وجود آمدن کوره‌ها و سلولهای خورشیدی مبدل انرژی شده است.
سلول خورشیدی، وسیله ای است که انرژی خورشید را به وسیله اثر فوتوولتائیک و بدون اتصال به منبع ولتاژ خارجی به برق تبدیل می‌کند.
اثرفوتوولتائیک:تبدیل مستقیم انرژی خورشید به الکتریسیته.

5. معرفی سلولهای خورشیدی و نسلهای مختلف آن
پديده فوتوولتائیک فقط با برخي از طول موجها ايجاد مي‌شود، چون:
بسته‌های نور (فوتونها) بايد يك حداقل انرژي براي برانگيختن الكترونهای ماده را داشته باشند.
بخشی از فوتونها که انرژی کافی برای برانگیختن الکترون در مولکول یا نیمه رسانا را نداشته باشند، توسط ماده فوتوولتاییک جذب نمی‌شوند.
اگر انرژي فوتون بيشتر از ميزان انرژي لازم براي برانگيختن الکترون باشد، انرژی اضافی هدر می‌رود.
اين دو پديده باعث مي‌شود که 70% از انرژي خورشيد بدون مصرف باقي بماند.

6. معرفی سلولهای خورشیدی و نسلهای مختلف آن
از جمله کاربردهای سلولهای خوشیدی:
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

7. معرفی سلولهای خورشیدی و نسلهای مختلف آن
مواد گوناگون با بازده و هزینه‌های ساخت متفاوت، در ساخت سلولهای خورشیدی استفاده شده‌اند.
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.

8. نسلهای سلولهای خورشیدی
سلول خورشیدی
مزایا
معایب
نسل اول
ویفرهای سیلیکون تک بلوری
(Single crystal silicon wafers, c-Si)
1- دامنه طیف جذبی گسترده (12/1 الکترون ولت)
2- سیالیت بالای حامل
1- هزینه های بالا: فناوریهای تولید پر هزینه مانند :
الف) استخراج سیلیسیوم از ماسه و خالص سازی آن قبل از رشد بلورها
ب) مصرف بالای انرژی به هنگام رشد و برش شمشها
2- هدر رفتن بیشترین مقدار فوتونهای پر انرژی در انتهای طول موج آبی و بنفش به صورت حرارت
3- مصرف انرژی در حد سوختهای فسیلی

9. نسلهای سلولهای خورشیدی
سلول خورشیدی
مزایا
معایب
نسل دوم
سیلیکون بی شکل
(Amorphous silicon, a-Si)
سیلیکون چند بلوری
(Polycrystalline silicon, poly-Si)
کادمیوم تلوراید
(Cadmium telluride, CdTe)
آلیاژ مس ایندیوم گالیوم دی سلناید
(Copper indium gallium diselenide alloy, CIGS)
1- هزینه پایین تولید
2- نیاز به مواد کمتر به دلیل پایین بودن نسبت هزینه به واحد توان (وات) و نیز سبک بودن
3- انعطاف پذیری و تأثیر آن در تطبیق پنلها روی سطوح منحنی شکل یا مواد انعطاف پذیر و سبک مانند پارچه ها
4- قابلیت لوله شدن
1- بازده پایین تر نسبت به ویفرهای سیلیکونی نسل اول
2- نقصهای ذاتی به دلیل کیفیت پایین تر روش کنترل
3- عدم پایداری سیلیکون بی شکل
4- سمیت بالا

10. نسلهای سلولهای خورشیدی
سلول خورشیدی
مزایا
معایب
نسل سوم
سلولهای نانو بلور
(Nanocrystal solar cells)
سلولهای فوتوالکتروشیمیایی
(Photoelectrochemical cells, PEC)
سلولهای پلیمری
(Polymer solar cells)
سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
(Dye sensitized solar cells, DSSC)
1- فناوریهای کم انرژی جهت تولید انبوه
2- قابل کنترل بودن سلولهای پلیمری از نظر سنتز شیمیایی و همچنین هزینه پایین سنتز
3- کار کردن در شرایط نوری کم، بهبودپذیری و قابل شارژ بودن سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
1- بازده پایین در مقایسه با ویفرهای سیلیکونی
2- سلولهای خورشیدی پلیمری: تخریب پذیری و کاهش کارایی در طول زمان به دلیل اثرات محیطی، گاف انرژی بالا
3- تخریب الکترودها توسط الکترولیت در سلولهای فوتوالکترو شیمیایی

11. نسلهای سلولهای خورشیدی
سلول خورشیدی
مزایا
معایب
نسل چهارم
بلورهای معدنی هیبرید شده داخل ماتریکس پلیمری
(Hybrid-inorganic crystals within a polymer matrix)
1- قابلیت کنترل در حالت محلول
2- مواد کم هزینه (پلیمرها)
3- خود چیدمانی (مونتاژ)
4- نانو بلورهای قابل چاپ روی لایه پلیمری
5- بازده تبدیل انرژی بهبود یافته
1- بازده کمتر نسبت به ویفرهای سیلیکونی
2- تخریب پذیر همانند سلولهای پلیمری
3- بهینه سازی مطابق با پلیمرهای رسانا و نانو بلورها

12. معرفی سلولهای خورشیدی و نسلهای مختلف آن
بیشترین سلولهای خورشیدی تجاری از سیلیکون (بیش از 86%) ساخته می‌شوند.
استفاده از سیلیکون در دستگاه فوتوولتائیک ممکن است به دلیل قیمت بالای تولید محدود شود.
ویژگیهای سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ در مقایسه با سلولهای خورشیدی معدنی:
هزینه پایین تولید
تنوع رنگ و شکل
انعطاف پذیری و سبک وزنی

13. معرفی سلولهای خورشیدی و نسلهای مختلف آن
سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ نسبت به سلولهای خورشیدی معدنی بازده پایینتری نشان می‌دهند.
سلول خورشیدی حساس شده با رنگ از دسته سلولهای لایه نازک به شمار می آید.
تنها نمونه‌ای از فناوری نسل سوم سلولهای خورشیدی است که تاکنون به مرحله تجاری سازی رسیده است.

14. تاریخچه و معرفی سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
تاریخچه حساس‌سازی با رنگ به قرن نوزدهم یعنی زمان اختراع عکاسی برمی‌گردد.
پژوهش ووگل (H. W. Vogel) در برلین بعد از سال 1873، اولین مطالعه مهم حساس سازی مواد نیمه رسانا با رنگ دانست.
در این روش امولسیونهای نقره هالید برای تولید فیلمهای عکاسی سیاه و سفید توسط رنگها سنتز شدند.

15. تاریخچه و معرفی سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
استفاده از اثر فوتوولتائیک در حساس‌سازی با رنگ، تا اوایل دهه 1990 نسبتاً ناموفق باقی ماند.
در اوایل دهه 1990 پروفسور گرتزل (Greatzel) و همکارانش با ترکیب موفق الکترودهای نانو ساختار و رنگهای تزریق کننده بار (Charge Injecting Dye)، یک سلول خورشیدی با بازده تبدیل انرژی بیش از 7% را تهیه کردند.

16. تاریخچه و معرفی سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
سلول خورشیدی تهیه شده توسط پروفسور گرتزل ، به عنوان "سلول خورشیدی نانو ساختار حساس شده با رنگ" یا "سلول گرتزل" نامگذاری شد.

17. فواید سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
فوایدی که منجر به پیشرفت سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ شده است:
هزینه پایین
عدم پیچیدگی ساختاری
بازده خوب
پایداری طولانی مدت این سلولها

18. ساختار سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
اجزای تشکیل دهنده سلول خورشیدی حساس شده با رنگ شامل بخشهای مهمی همچون موارد زیر می شود:
شیشه پوشیده شده با اکسید رسانای شفاف
نانو ذرات تیتانیوم دی اکسید (Titanium dioxide, TiO2)
رنگهای حساس به نور
الکترولیت اکسایش- کاهش
الکترود شمارشگر (کاتد)
مواد ضد نشت

19. شیشه پوشیده شده با اکسید رسانای شفاف
بسترفوتوالکترودTiO2 ، شیشه پوشیده شده با اکسید رسانای شفاف (Transparent Conducting Oxide, TCO) است.
برای عملکرد بالا، بستر باید مقاومت صفحه‌ای پایین و شفافیت بالا داشته باشد.
مقاومت صفحه‌ای در دمای بالای 500 درجه باید مستقل از دما باشد؛ چون:
رسوب کردن الکترود تیتانیوم دی اکسید در دمای درجه انجام می‌شود.

20. شیشه پوشیده شده با اکسید رسانای شفاف
ایندیوم-قلع اکسید (Indium-Tin Oxide, ITO) یکی از مشهورترین اکسیدهای رسانای شفاف است.
ITO دارای مقاومت پایینی در دمای اتاق می‌باشد.
مقاومت ITOدر دمای بالا در مجاورت هوا افزایش می‌یابد.
قلع دی اکسید آلاییده شده (Dopped) با فلوئور (Fluorine-doped SnO2, F:SnO2, SnO2:F) به عنوان بستر رسانای شفاف در سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ کاربرد دارد.

21. فوتو الکترود تیتانیوم دی اکسید (TiO2)
فوتو الکترودهایی که تحت تابش نور در محلول بر اثر خوردگی نوری تجزیه می‌شوند عبارتند از:
سیلیکون
گالیم آرسنید
ایندیوم فسفید
کادمیم سولفید
اکسیدهای نیمه رسانا به ویژه تیتانیوم دی اکسید،
تحت تابش مرئی در محلول پایداری شیمیایی خوبی دارند.
اکسیدهای نیمه رسانا غیر سمی و ارزان هستند.

22. فوتو الکترود تیتانیوم دی اکسید (TiO2)
ساخت فوتو الکترود لایه نازک تیتانیوم دی اکسید:
در این فرایند به منظور افزایش بازده سلول، از نانو ذرات TiO2 استفاده می‌شود.
مساحت سطح به حجم بسیار بالا برای نانو ذرات، امکان جذب مقدار بیشتری از رنگ را روی سطح فراهم می‌سازد.
محلول کلوییدی نانو ذرات TiO2(خمیر) روی بستر اکسید رسانای شفاف لایه نشانی می‌شود.
سپس در دمای c ̊ رسوب داده می‌شود.
به این ترتیب، TiO2 تک لایه با ضخامت 10 میکرومتر به دست می‌آید.

23. فوتو الکترود تیتانیوم دی اکسید (TiO2)
الکترولیت باید به راحتی داخل این لایه نفوذ کرده و بتواند سرعت انتشار یونهای یدید/ تری یدید (یون های موجود در الکترولیت) به داخل لایه را کنترل کند.
موادی که به منظور ایجاد تخلخل مطلوب در فرآیند رسوب گیری، به داخل محلول کلوییدی TiO2 افزوده می شوند:
ترکیبهای پلیمری مانند پلی اتیلن گلیکول و اتیل سلولز

24. رنگهای حساس به نور
در بیشتر بررسی‌ها روی سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ، کمپلکسهای روتنیوم پلی پیریدین (Ruthenium Polypyridine) به عنوان رنگ حساس به نور انتخاب می‌شوند؛ چون:
شناخت گسترده‌ای از ویژگیهای فیزیک نوری و اکسایش-کاهش نوری این کمپلکسها وجود دارد.
تغییر سطح مزدوج شدگی (Conjugation) لیگاندهای پلی پیریدین آسان است.
معرفی گروه‌های مناسب در اطراف لیگاند به منظور بهبود خواص طیفی و اکسایش- کاهشی آسان است.

25. رنگهای حساس به نور
کمپلکسهای روتنیوم بر پایه کربوکسی بی پیریدین 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))

26. رنگهای حساس به نور
N719 (سیس ـ دی-ایزوتیوسیاناتوـ بیس(2،′2ـ بی­پیریدیل ـ4،′4ـ دی-کربوکسیلاتو) روتنیوم (ІІ) بیس(تترابوتیل آمونیوم))

27. رنگهای حساس به نور
N749 یا رنگدانه سیاه (تری­ایزوتیوسیاناتوـ(2،′2:′6،″6ـترپیریدیل ـ4،′4،″4ـ تری­کربوکسیلاتو) روتنیوم (ІІ) تریس(تترابوتیل آمونیوم))

28. رنگهای حساس به نور
Z907 (سیس ـ دی ایزوتیوسیاناتوـ(2،′2ـ بی پیریدیل ـ4،′4ـ دی کربوکسیلیک اسید)ـ(2،′2ـ بی­پیریدیل ـ4،′4ـ دی­نونیل) روتنیوم (ІІ))
این موارد ازمؤثرترین حساس کننده‌های تیتانیوم دی اکسید هستند.
به دلیل بازده تبدیل انرژی بالا در سراسر جهان به عنوان رنگهای شاهد در سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ استفاده می‌شوند.

29. رنگهای حساس به نور
رنگهای N719، N3 و Z907 می‌توانند دامنه گسترده‌ای از منطقه مرئی از 400 تا 800 nm را جذب کنند؛
رنگ N749 در ناحیه مادون قرمز نزدیک تا 900 نانومتر جذب دارد.
جذب در نواحی مادون قرمز نزدیک و مرئی در این رنگها، به انتقال بار از فلز به لیگاند در کمپلکس کمک می‌کند.

30. رنگهای حساس به نور
بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده (Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO) و پایین‌ترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده (Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)، از اوربیتالهای d فلز روتنیوم و اوربیتال π* لیگاند مشتق می‌شود.
لیگاندایزوتیوسیانات سطح LUMO را کاهش می‌دهد.
این کاهش سطح منجر به جابجایی قرمز (Red Shift) در خواص جذبی کمپلکس و پذیرش آسانتر الکترون از یونهای یدید موجود در الکترولیت می‌شود.

31. رنگهای حساس به نور ص

32. رنگهای حساس به نور
در کمپلکسهای روتنیوم، گروه‌های کربوکسیل برای اتصال محکمتر به سطح TiO2 وجود دارند.
این اتصال محکم باعث برهمکنش الکترونی بزرگ بین لیگاند و نوار رسانایی TiO2 می شود.
این امر به تزریق مؤثرتر الکترون از کمپلکس روتنیوم به TiO2 کمک می‌کند.
کمپلکس روتنیوم برسطح TiO2 از طریق کوئوردیناسیون دو دندانه‌ای کربوکسیلات یا پیوند استری لایه نشانی می‌شود.

33. رنگهای حساس به نور
رنگهای دیگری که در ساختار سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ استفاده می‌شوند و بازده آنها در مقایسه با رنگهای پلی پیریدینی پایینتر است، عبارتند از:
پورفیرین
فتالوسیانین
پریلن و مشتق های آنها

34. الکترولیت اکسایش- کاهش
الکترولیت استفاده شده در سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ شامل یونهای اکسایش- کاهش یدید/ تری یدید (I-/I3-) است.
الکترولیت، الکترونها را بین فوتو الکترود TiO2و الکترود شمارشگر جابجا می‌کند.
مخلوطی از نمکهای یدید (لیتیم، سدیم، پتاسیم، 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، حل می‌شوند.

35. الکترولیت اکسایش- کاهش
عملکرد سلول خورشیدی حساس شده با رنگ به...
کاتیونهای مخالف یدید مانند لیتیم، سدیم، پتاسیم و تترا آلکیل آمونیوم وابسته است؛ چون:
قابلیت رسانایی یون مخالف در الکترولیت یا در فرایند جذب سطحی روی سطح TiO2، منجر به جابجایی سطح نوار رسانایی الکترود TiO2 می‌شود.

36. الکترولیت اکسایش- کاهش
گرانروی حلال بر رسانایی یون در الکترولیت و عملکرد سلول اثر می‌گذارد.
برای بهبود عملکرد سلول باید از حلالهایی با گرانروی کم استفاده کرد.
ترکیب بازی t- بوتیل پیریدین برای بهبود عملکرد، به محلول الکترولیت اضافه می‌شود.
برمید/ برم و هیدروکینون، به عنوان الکترولیت اکسایش- کاهش برای سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ استفاده شده‌اند.
الکترولیت اکسایش- کاهش ید عملکرد بهتری دارد.

37. 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 بر سطح اکسید رسانای شفاف (ضخامت 10-5μg/cm2یا تقریباًnm200) یا کربن، معمولاً به عنوان الکترود شمارشگر در این سلولها استفاده می‌شود.

38. مواد ضد نشت
ماده‌ای 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.

39. عملکرد سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
ساختار سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ، مشابه با یک باتری قلیایی تجاری است.
در آن یک آند و یک کاتد در دو طرف الکترولیت مایع قرار می‌گیرند.
نور خورشید از طریق الکترود شفاف وارد لایه رنگ شده و الکترونهای آن را برانگیخته می‌کند.
الکترون‌های برانگیخته به نانو ذرات TiO2 نیمه‌رسانا با نوار ممنوعه حدود 3/۵ الکترون‌ولت، منتقل خواهد شد.

40. عملکرد سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
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 که نقش یک کاتالیزور را دارد، الکترونها را وارد محلول الکترولیت (یدید/ تری یدید) می‌کند تا از طریق واکنش شیمیایی در الکترولیت، الکترون‌ها دوباره وارد مولکول رنگ شوند.

41. عملکرد سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
در سلول خورشیدی حساس شده با رنگ دو فرآیندی که در سلولهای قدیمی سیلیکونی توسط سیلیکون انجام می شد، تفکیک شده اند.
در سلولهای قدیمی، سیلیکون ...
هم به عنوان منبع فوتو الکترون به کار می‌رود،
هم میدان الکتریکی لازم برای جداسازی بارها و ایجاد جریان را تولید می‌کند.
در سلول خورشیدی حساس شده با رنگ، نیمه رسانا تنها برای انتقال بار به کار می رود و فوتو الکترونها توسط یک ماده رنگی حساس به نور فراهم می‌شوند.

42. عملکرد سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
در نگاه دقیقتربه سلول خورشیدی حساس شده با رنگ، جهت بررسی مرحله به مرحله، فوتونهای نورخورشید طی مراحل زیر به جریان الکتریکی تبدیل می‌شوند:
رنگ نشانده شده بر سطح TiO2، شار فوتون گسیل شده را جذب می‌کند:
به دلیل انتقال بار از فلز مرکزی به لیگاند، رنگ از حالت پایه (S) به حالت برانگیخته (S*) می‌رسد.
الکترونهای برانگیخته شده به نوار رسانایی الکترود TiO2 تزریق شده و منجر به اکسایش رنگ می‌شوند.

43. عملکرد سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
الکترونهای تزریق شده در نوار رسانایی تیتانیوم دی اکسید بین این نانو ذرات انتشار یافته و میدان الکتریکی و سپس جریان تولید می‌کنند.
جریان به اکسید رسانای شفاف انتقال داده می‌شود تا از طریق سیم کشی خارجی به الکترود شمارشگر و سپس محلول الکترولیت برسد.
یون تری یدید موجود در محلول الکترولیت، الکترونها را از الکترود شمارشگر گرفته و به یون یدید کاهش پیدا می‌کند.

44. عملکرد سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
رنگ اکسید شده (S+) در تماس با محلول الکترولیت، الکترونها را از یون یدید گرفته و به حالت پایه (S) برمی‌گردد.
یون یدید نیز پس از انتقال الکترون به حالت اکسید شده خود یعنی، یون تری یدید تبدیل می شود.

45. عملکرد سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگd

46. بحث و نتیجه گیری
انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع پاک و تجدیدپذیر، جایگزینی مناسب برای سوختهای فسیلی است.
تعدادی از دانشمندان پژوهشهای خود را به ساخت و بررسی سلولهای خورشیدی اختصاص داده‌اند.
سلولهای خورشیدی در چهار نسل دسته بندی می‌شوند.
سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ، بخشی از نسل سوم را تشکیل می‌دهند.
بازده تبدیل انرژی در این سلول‌ها نسبت به سلول‌های خورشیدی معدنی پایین‌تر است.

47. بحث و نتیجه گیری
آنچه باعث توسعه این نسل از سلول‌ها شده، پایین بودن نسبت قیمت بر عملکرد آنهاست.
نسبت قیمت بر عملکرد پایین تولید انرژی را به طور چشم‌گیری مقرون ‌به ‌صرفه کرده است.
سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ در آغاز چرخه توسعه هستند.