کتاب اکسیدهای فلزی و سلول های خورشیدی پروسکایتی

فهرست
عنوان صفحه
فصل 1 9
مقدمه 9
تاریخچه پروسکایت 10
ویژگیهای پروسکایتهای هیبریدی آلی-معدنی 11
مزایای پروسکایت 11
مطالعات 13
فصل 2 15
سلولهای خورشیدی 15
اهمیت انرژی خورشیدی 16
موقعیت کشور ایران از نظر دریافت انرژی خورشیدی 17
اصول و نحوه عملکرد سلولهای خورشیدی 18
نظریه نواری 19
نحوه توزیع و تغییر تراز انرژی الکترون در جسم جامد 20
رسانش الکتریکی در مدل ساختار نواری 20
آلایش نیمرساناها 22
عملکرد سلولهای خورشیدی با اتصال p-n 27
تاریخچه سلولهای خورشیدی 28
انواع مختلف سلولهای خورشیدی 31
فصل 3 35
اصول عملکرد و مشخصهیابی سلولهای خورشیدی پروسکایتی 35
ساختارهای کلی سلولهای خورشیدی پروسکایت 35
بخشهای مختلف سلول خورشیدی پروسکایتی 36
زیرلایه و اکسیدهای رسانای شفاف (TCO) 36
نیمرسانا 37
لایه جاذب پروسکایت 37
انتقال دهنده حفره (HTM) 39
الکترود مقابل 39
انواع سلولهای خورشیدی پروسکایت 40
انواع ساختارهای سلول خورشیدی پروسکایت 41
مشخصهیابی 47
اندازهگیری جریان – ولتاژ 47
ولتاژ مدار باز (VOC) 48
چالشهای سلولهای خورشیدی پروسکایتی 50
فصل 4 53
پودر ZrO2 و دستگاههای آزمایشگاهی مورد نیاز 53
ویژگیهای زیرکونیوم 53
ساختار الکترونی اکسید زیرکونیوم 54
تاریخچه اکسید زیرکونیوم 54
دستگاههای مورد استفاده در آزمایش 54
فصل 5 63
ساخت نمونه های آزمایشگاهی سلول خورشیدی پروسکایتی 63
مراحل ساخت سلول خورشیدی پروسکایتی 64
تهیه خمیر ZrO2 69
منابع 121

سلولهای خورشیدی
در جهان امروز انرژی الکتریکی یکی از مفیدترین شکل¬های انرژی است. هم¬زمان با پیشرفت فن¬آوری و اقتصاد در دنیا و افزایش جمعیت، تقاضای انرژی به طور فزاینده¬ای در سال¬های اخیر افزایش یافته است تخمین زده شده است که مصرف انرژی جهانی تا سال ۲۰۳۰ میلادی، ۵۰ درصد افزایش می¬یابد. اقتصاد انرژی هنوز به شدت وابسته به سوخت¬های فسیلی می¬باشد که مهم¬ترین آن نفت، گاز طبیعی و زغال سنگ به ترتیب با ۳۷%، ۲۰% و ۲۷% است[۵]. با مصرف کنونی، طی ۴۰ سال آینده نسبت ذخایر به تولیدات معکوس خواهد شد و در آینده، جهان با کمبود انرژی مواجه خواهد شد. در ضمن این افزایش مصرف انرژی، افزایش اثرات مخرب زیست محیطی و همچنین گرم شدن زمین را در پی دارد، که لزوم توسعه فوری منابع انرژی تجدیدپذیر برای جبران کمبود و ضعف انرژی¬های فسیلی را نشان می¬دهد.
در سال¬های اخیر توسعه¬ی منابع پاک و تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، باد، زمین گرمایی و هسته¬ای یک استراتژی مهم برای دولت¬ها محسوب می¬شود. در میان چشمه¬های تجدیدپذیر، سلول¬های فتوولتائیک بیش از نیم¬قرن هست که مورد استفاده قرار می-گیرد. سلول¬های فتوولتائیک مستقیماً انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل می¬کند؛ بدون اینکه هیچ گونه آلودگی برای محیط زیست در پی داشته باشد. مهم¬ترین مشکل این نوع سلول¬ها قیمت بالای مواد اولیه و وسایل ساخت آن می¬باشد که هزینه¬ی زیادی را به دولت¬ها به خصوص برای تولید در مقیاس¬های وسیع تحمیل می¬کند. همین امر باعث شد که پژوهشگران به دنبال تولید سلول¬های فتوولتائیک با قیمت تمام شده کمتر و روش تولید ساده¬تر باشند.
اهمیت انرژی خورشیدی
بحران انرژی در سال¬های اخیر، کشورهای جهان را بر آن داشته که با مسائل مربوط به انرژی، برخوردی متفاوت نمایند که در این میان جایگزینی انرژی¬های فسیلی با انرژی¬های تجدیدپذیر و از جمله انرژی خورشیدی به منظور کاهش و صرفه¬جویی در مصرف انرژی، کنترل عرضه و تقاضای انرژی و کاهش انتشار گازهای آلاینده با استقبال فراوانی روبرو شده است. برآوردها نشان می¬دهد که کشورهای جهان انرژی خورشیدی را به عنوان یکی از منابع اصلی تأمین کننده انرژی در آینده می¬دانند و بر این اساس از هم اکنون برنامه¬ریزی و فعالیت¬های گسترده¬ای در جهت گسترش کاربرد این نوع انرژی در مصارف مختلف به انجام رسانده¬اند.
دستگاه¬های فتوولتائیک قادر به تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریسیته می¬باشد. استفاده از این دستگاه¬ها به ما این قابلیت را می¬دهد که محیط¬زیست پاکیزه¬ای داشته باشیم، چراکه سیستم تولید الکتریسیته فتوولتائیک اثرات جانبی بسیار ناچیزی بر طبیعت دارد و برخلاف سوخت¬های فسیلی که تجدیدناپذیر است و روزی به پایان می¬رسد، انرژی خورشیدی منبعی تجدیدپذیر به شمار می-آید که تا روزی که حیات در کره خاکی وجود دارد، قابل استفاده و بهره¬برداری است. انرژی خورشیدی از گداخت هسته¬ای به دست می¬آید. در خورشید در هر ثانیه “6×” 〖”10″ 〗^”11″ “Kg” هیدروژن، با کاهش جرم خالص “4×” 〖”10″ 〗^”3″ “Kg” به هلیوم تبدیل می¬شود. با استفاده از رابطه جرم- انرژی انیشتین معادل تولید J “4×” 〖”10″ 〗^”20″ انرژی خواهد بود. این انرژی اصولاً به صورت تشعشع الکترومغناطیسی در ناحیه ماوراءبنفش تا مادون قرمز گسیل می¬شود. هم اکنون جرم کل خورشید حدود “2×” 〖”10″ 〗^”30″ “Kg” است که بیش از ۱۰ بیلیون سال، انرژی تابشی خروجی تقریباً ثابت، برای آن تخمین زده می¬شود[۴]. همچنین از کل انرژی منتشر شده توسط خورشید، تنها در حدود ۴7% آن به سطح زمین می¬رسد. یعنی انرژی ناشی از سه روز تابش خورشید به زمین معادل با تمام انرژی ناشی از احتراق کل سوخت¬های فسیلی کره زمین است. به عبارت دیگر در اثر تابش خورشید به مدت چهل روز، می¬توان انرژی مورد نیاز یک قرن را ذخیره نمود.
موقعیت کشور ایران از نظر دریافت انرژی خورشیدی
کشور ایران در بین مدارهای ۲۵ تا ۴۰ درجه عرض شمالی قرار گرفته است و در منطقه¬ای واقع شده که به لحاظ دریافت انرژی خورشیدی در بین مناطق جهان در بالاترین رده¬ها (کمربند تابشی خورشید) قرار دارد. میزان تابش خورشیدی در ایران بین ۱۸۰۰ تا ۲۲۰۰ کیلووات ساعت بر مترمربع در سال تخمین زده شده است که بالاتر از میزان متوسط جهانی است. همچنین در ۹۰% از خاک کشورمان بیش از ۳۰۰ روز آفتابی وجود دارد. در بین استان¬های ایران یزد با بالاترین میزان دریافت انرژی در هر روز (kwh/m2 4/5-5/4) در موقعیت تابشی خوبی قرار دارد[۶].

تاریخچه سلول¬های خورشیدی
با استفاده از سلول¬های خورشیدی، تابش نور خورشید به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می¬شود که این پدیده اثر فتوولتائیک نامیده می¬شود. برای اولین بار فیزیکدان فرانسوی ادموند بکرل پدیده فتوولتائیک را در سال ۱۸۳۹ میلادی گزارش کرد. او مشاهده کرد هنگامی که به الکترود نقره قرار داده شده در الکترولیت نور خورشید تابانده شود ولتاژ آن به مقدار کمی افزایش می¬یابد[۷]. پیشرفت مهم بعدی به واسطه آزمایش اسمیت در سال ۱۸۷۳ میلادی روی جریان الکتریکی گذرنده از میله کریستال سلنیوم بود. او دریافت هنگامی که میله¬ای از کریستال سلنیوم در معرض نور قرار بگیرد مقاومت آن کاهش می¬یابد. در سال ۱۸۹۴ میلادی چارلز فیرتز اولین سلول خورشیدی را با استفاده از دو صفحه فلزی که سلنیوم مایع بین آن تزریق شده بود ساخت. نتایج این آزمایش راه را برای مطالعات سلول¬های خورشیدی در قرن ۲۰ باز کرد[۸]. لنارد در سال ۱۹۰۲ میلادی با تابش نور ماوراءبنفش روی یک فلز در خلأ ارتباط بین انرژی الکترون و فرکانس نور تابیده شده را نشان داد. او بیشینه انرژی جنبشی الکترون را با استفاده از فرکانس نور فرودی محاسبه کرد. از آنجایی که باید از فلز خالص در این آزمایش¬ها استفاده می¬گردید و این فلزات به سرعت اکسید می¬شد؛ انجام این آزمایش¬ها بسیار پیچیده بود. در آن زمان هنوز وجود فوتون به اثبات نرسیده بود؛ به همین دلیل مشاهدات لنارد بیشتر کیفی بود[۹]. این مشکل در سال ۱۹۰۵ میلادی با پیشنهاد انیشتین مبتنی بر کوانتیده بودن نور، که نور از اجزاء گسسته¬ای به نام فوتون تشکیل شده، حل شد. در سال ۱۹۰۴ میلادی هال یک سلول خورشیدی اتصال نیم¬رسانا با استفاده از مس و اکسید مس ساخت، که یک نمونه اولیه از سلول شاتکی لایه نازک بود[۱۰]. در سال ۱۹۴۶ میلادی راسل اهل سلول خورشیدی سیلیکونی را اختراع کرد. در سال ۱۹۵۴ میلادی چاپین و همکارانش توانستند اولین سلول خورشیدی را با بازدهی 4/5% با استفاده از سیلیکون بلوری بسازند. این نوع باتری از سال ۱۹۵۸ میلادی در شاتل¬های فضایی به کار گرفته شد. فلزات دیگری مثل گالیم آرسناید، ایندیوم فسفید و کادمیم تلوراید برای استفاده در سلول¬های اتصال P-N بررسی شدند؛ اما هنوز سیلیکون به عنوان جزء اصلی این سلول¬ها محسوب می¬شود[11]. در سال ۱۹۷۰ میلادی به علت بحران انرژی در جهان غرب، استفاده از منابع جدید انرژی مورد توجه قرار گرفت. همین امر باعث پیشرفت¬های چشمگیری در ساخت سلول¬های خورشیدی و رسیدن به بازدهی¬های بالاتر شد. خواص یکسوکنندگی و فتوولتایی دیودهای پلیمری نخستین بار در سال ۱۹۸۵ میلادی توسط شیروتا و همکارانش با استفاده از یکی از مشتقات پلی¬کربازول مورد بررسی قرار گرفت. سپس در سال ۱۹۸۶ میلادی تانگ اولین ساختار فتوولتائیک ناهمگون پلیمری را ساخت[۱۲]. در سال ۱۹۹۱ میلادی گراتزل و همکارانش ساخت سلول خورشیدی جدیدی را بر اساس فتوسنتز گیاهان گزارش کردند، این نوع سلول¬های خورشیدی که سلول¬های خورشیدی رنگ دانه¬ای نامیده می¬شود، از نسل سوم سلول¬های خورشیدی به شمار می¬آید. مهم¬ترین مزیت این نوع سلول¬ها، قیمت تمام شده پائین و بازدهی نسبتاً خوب آن می¬باشد. از آن سال به بعد راهکارهای جدیدی در ساخت سلول¬های خورشیدی معرفی شد و توسعه یافت[۱۳].
اولین سلول¬های خورشیدی آلی بر پایه پلیمر ریز مولکول در سال ۱۹۹۳ میلادی ساخته شد[۱۴]. سپس تلاش¬های فراوانی برای ساخت سلول¬های پربازده با استفاده از ترکیبات پلیمری رسانا صورت گرفت. در سال ۲۰۰۷ میلادی کیم و همکارانش به بازده بیش از 6/5% با استفاده از این ترکیبات دست یافتند[۱۵].
در سال ۲۰۰۹ میلادی توسط میاساکا سلول¬های خورشیدی پروسکایت مایع با بازدهی حدود 4/3% ساخته شد[۱]. در اواسط سال ۲۰۱۲ میلادی توسط اسنیث و پارک سلول-های پروسکایتی جامد به جای الکترولیت¬های مایع مورد استفاده در سلول معرفی شد. در انتهای سال ۲۰۱۳ میلادی بازده 2/16% در این سلول¬ها گزارش شد. در اوایل سال ۲۰۱۴ میلادی بازده 9/17% به طور رسمی گزارش شد [۳]. اخیراً بازده 1/22% نیز گزارش شده است [۱۶].
در حال حاضر بازار سلول¬های خورشیدی در اختیار سلول¬های سیلیکونی می¬باشد. این نوع سلول¬ها بالاترین بازدهی را دارا می¬باشد؛ اما مشکل این نوع سلول¬ها هزینه بالای ساخت و شکننده بودن آن است. امروزه سلول¬های نسل سوم مانند سلول¬های پلیمری، سلول¬های خورشیدی رنگدانه¬ای، سلول¬های خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی و سلول¬های خورشیدی پروسکایت که عمدتاً مبتنی بر فناوری نانو است به علت هزینه ساخت پایین، روش ساخت آسان و بازدهی¬های مناسب مورد توجه محققان قرار گرفته¬اند.