پلیمر در سلول خورشیدی

دسته: مقالات منتشر شده در 22 آبان 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 48

مروری بر کاربرد پلیمرها در سلول های خورشیدی

سلول های خورشیدی حساس به رنگ، پروسکایت و آلی بعنوان فناوری های فتوولتائیک امیدوار کننده در نظر گرفته شده اند. ساختار دستگاه و اجزای این سلول های خورشیدی برای عملکرد و پایداری دستگاه ضروری است. از پلیمرها به دلیل خواص متنوعی که دارند، برای تنظیم هدفمند اجزای دستگاه و ساختار این سلول های خورشیدی استفاده کرد. در نمونه های حساس به رنگ، پلیمرها را می توان بعنوان بسترهای انعطاف پذیر، عوامل تشکیل دهنده منافذ و فیلم در فیلم های فتوآند، الکترودهای شمارنده بدون پلاتین و فریم الکترولیت های شبه جامد استفاده کرد. در سلول های خورشیدی پروسکایت، از پلیمرها بعنوان افزودنی برای تنظیم فرایندهای هسته زایی و تبلور در فیلم های پروسکایت استفاده می شود. پلیمرها همچنین می توانند بعنوان مواد انتقال حفره، مواد انتقال الکترون و لایه رابط به منظور افزایش عملکرد جداسازی حامل و کاهش بازترکیب استفاده شوند. در سلول های خورشیدی آلی، پلیمرها اغلب بعنوان لایه های اهدا کننده، لایه های بافر و سایر ریز/ نانو ساختارهای پلیمری در دستگاه های باینری یا سه تایی با هدف تاثیرگذاری بر عملکرد دستگاه استفاده می شوند. دستاوردهای فعلی از کاربرد پلیمری در سلول های خورشیدی بررسی و تحلیل می شوند. علاوه براین، مزایای پلیمرها برای سلول های خورشیدی، چالش های کاربرد عملی و راه حل های احتمالی نیز ارزیابی می شوند.

 

رشد سریع جمعیت و اقتصاد جهان منجر به افزایش روز افزون تقاضای انرژی شده است. مصرف زیاد انرژی های فسیلی سنتی فرسودگی منابع و آلودگی زیست محیطی را به دنبال داشته است. یکی از مهم ترین راه حل ها، دست یافتن به انرژی های تجدید پذیر جایگزین است. انرژی خورشیدی به دلیل زیست سازگاری و عاری بودن از محدودیت های منطقه ای از اهمیت بالایی برخوردار است. سلول خورشیدی یکی از موثرترین روش های استفاده از انرژی خورشیدی است. در حال حاضر، تحقیق و توسعه سلول های خورشیدی اساسا بر موارد زیر متمرکز است:

 

الف) سلول های خورشیدی ساخته شده از سیلیکون بالغ: اگرچه نتایج آزمایشگاهی می تواند به بیش از 25 درصد برسد، توسعه سلول های خورشیدی ساخته شده از سیلیکون سنتی به دلیل فرایند ساخت پیچیده، مصرف انرژی بالا و هزینه های بالای تولید محدود شده است.

ب) سلول های خورشیدی لایه نازک: سلول های خورشیدی معمولی لایه نازک شامل گالیم آرسنید (GaAs)، مس موجود در سلنید گالیم (CIGS) و کادمیوم تلورید (CdTe) و غیره است. اگرچه این سلول های خورشیدی لایه نازک عملکرد و پایداری بالایی دارند، افزایش گالیم و ایندیم در پوسته کم و کادمیوم سمی است.

پ) سلول های خورشیدی در حال ظهور: این سلول های خورشیدی توسط فتوولتائیک آلی (OPV)، سلول خورشیدی حساس به رنگ (DSSC) و سلول خورشیدی پروسکایت (PSC) نشان داده می شوند. این نوع سلول های خورشیدی از مزایایی همچون وزن سبک و کم هزینه بودن برخوردار هستند.

 

با این حال، برخی مشکلات وجود دارد که کاربرد گسترده آنها را محدود می کند. برای مثال، سلول های خورشیدی آلی همچنان بایستی از لحاظ قابلیت تبدیل توان، محدوده پاسخ و پایداری دستگاه توسعه یابند. سلول های خورشیدی حساس به رنگ ساخته شده از الکترولیت مایع با مشکلاتی مانند نشت آسان الکترولیت و تبخیر حلال مواجه هستند که پایداری طولانی مدت دستگاه را تضعیف می کند. سلول های خورشیدی پروسکایتی تمام جامد که بر پایه DSSC توسعه یافته اما بر کاستی های DSSC هم غلبه می کنند، بسیار مورد توجه دانشمندان قرار گرفته اند. با توجه به شکل زیر، حتی با وجود اینکه عملکرد تبدیل فتوالکتریک (PCE) PSC از 3.8 درصد ابتدای کار تا 23.3 درصد به سرعت متغیر است، پایداری دستگاه همچنان کاربردها را محدود می کند.

 

شکل 1:

 Photoelectric conversion effciencies for various photovoltaic technologies

در کل، هر یک از اجزای دستگاه با انجام وظایف مرتبط بر عملکرد آن تاثیر می گذارند. از این رو، بهینه سازی اجزای دستگاه از اهمیت بالایی برخوردار است. در چند سال گذشته، پلیمرها به دلیل دارا بودن خواص شیمیایی و فیزیکی چندمنظوره و قابل تنظیم مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند. ساختارهای شبکه سه بعدی پلیمرها پتانسیل استفاده بعنوان الگوی ساخت مواد مزومتخلخل یا بعنوان ماتریس پلیمری در الکترولیت جامد را دارند. فعالیت کاتالیزوری بالا به منظور کاهش I₃⁻ آن را بعنوان الکترود کانتر نشان می دهد. گروه های عامل متنوع این امکان را برای پلیمرها فراهم می کنند تا مورفولوژی پروسکایت را از لحاظ توده ای و رابط تنظیم کنند. تحرک بالای حامل پلیمرها را قادر می سازد که بعنوان مواد انتقال الکترون و حفره عمل می کنند. این گروه ها در پلیمر در نقش لایه های سطحی برای غیرفعال کردن عیوب، تنظیم عملکرد الکترود فلزی و بهبود عملکرد استفاده می شوند. ساختارهای متنوع و اصلاح عملکردی همچنین پلیمرها را با خواص جذب نوری مختلف و تحرک الکترون متغیر تجهیز می کند که بعنوان لایه فتوولتائیک یا لایه بافر در OPV استفاده می شود. فرایند پذیری پلیمر همچنین امکان ساخت دستگاه های میکرو / نانو ساختار مبتنی بر پلیمر را فراهم می کند. پلیمرهای دارای رسانایی خوب که پلیمر رسانا نیز نامیده می شوند، در بسیاری از زمینه ها نقش دارند. در اینجا، به مطالعه کاربرد پلیمرها در سلول های خورشیدی ساخته شده از DSSC، PSC و OPV پرداخته شده است.

 

پلیمرها کاربرد در زمینه های فتوولتائیک من جمله DSSC، PSC و OPV دارند. در DSSC، پلیمرها نه تنها می توانند بعنوان بسترهای انعطاف پذیر، بلکه بعنوان عوامل متخلخل و فیلم ساز لایه های فتوآند نیز مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه براین، پلیمرهای رسانا و کامپوزیت های مرتبط را به دلیل فعالیت کاتالیزوری بالا، می توان برای ساخت مواد الکترود ضد پلاتین استفاده کرد. ساختار زنجیره بلند و وجود گروه های عامل نیز تعیین می کند که آیا پلیمرها می توانند برای جامدسازی الکترولیت مایع و تشکیل الکترولیت های شبه جامد استفاده شوند. کاربرد پلیمرها در بسترهای انعطاف پذیر PAN یا PET، آماده سازی فتوآند TiO2 مزوپور، الکترولیت پلیمری هیدروژل و الکترودهای شمارنده بدون پلاتین بسیار گسترده و بالغ هستند. رسانایی الکترولیت های پلیمری شبه جامد همچنان پایین است. از این رو، بهبود رسانایی این الکترولیت ها چالش برانگیز است که می توان با تنظیم نسبت پلیمرها و الکترولیت مایع به آن پی برد. در PSC، پلیمرها را می توان برای تسهیل هسته زایی، تنظیم کریستالیزاسیون لایه های پروسکایت و افزایش پایداری دستگاه با ایجاد برهمکنش های مختلف با لایه های پروسکایت استفاده کرد. پلیمرها همچنین می توانند بعنوان مواد انتقال حفره به دلیل تحرک بالای حفره استفاده شوند. طراحی مواد جدید انتقال حفره پلیمری با تحرک بالای حفره و آرایش سطح انرژی مناسب جای بحث دارد. استفاده از پلیمرها برای ساخت دستگاه های PSC پایدار طولانی مدت یکی دیگر از چالش ها است. با این حال، این دو جنبه نه تنها به منظور بهبود عملکرد جداسازی حامل و عملکرد دستگاه نهایی ضرورت دارند، بلکه برای کاربرد عملی نیز مهم هستند. در OPV، پلیمرها بعنوان لایه های فعال برای تحت تاثیر قرار دادن عملکرد نور و عملکرد دستگاه کاربرد گسترده ای دارند. درک عمیق OPV با عملکرد بالا در طراحی اهداکننده های پلیمری جدید با شکاف باند نسبی و آرایش سطحی انرژی نقش مهمی دارد. علاوه بر این، انتخاب پلیمرهایی با جذب طیف مکمل برای ساخت OPV های سه تایی یا متوالی امیدوارکننده است.