علم نانو و نانوساختارهای مورد استفاده در تولید سوختهای خورشیدی و فوتوولتائیک نويسنده: /.J Nozik 1 مترجم: مرتضی سلطان دهقان 1. آزمایشگاه ملی انرژیهای تجدیدپذیر Golden Colorado 80401 و دانشگاه Boulder Colorado 80309 بخش شیمی و بیوشیمی Colorado 16 سال نهم دي 89 شماره 10 پياپي 159
ذرات الکترونی کوانتومی )الکترونهای منفی و حفرههای با بار الکتریکی مثبت( موجود در نانوکریستالها ویژگیهای نوری و الکترونیکی را بهوجود میآورند که باعث افزایش کارآئی تبدیل انرژی سلولهای خورشیدی به سوختهای خورشیدی و فوتوولتائیک با هزینه کم میشود. به این رویکردها و کاربردها تبدیل فوتون خورشیدی نسل سوم اطالق میشود. از جمله مهمترین این ویژگیها میتوان به تشکیل بیش از یک زوج الکترون-حفره )که Excitons در نانوکریستال نیز نامیده میشود( از یک فوتون جذب شده منفرد اشاره کرد. در نانوکریستالهای ایزوله شده حاملهای انرژی سه بعدی )کوانتوم داتها یا نقاط کوانتومی( یا دو بعدی )سیمها یا میلههای کوانتومی( موجود است. به این فرآیند تولید Excitonهای مضاعف گفته میشود. این مقاله به علوم مربوط به اپتوالکترونیک )الکترونیک نوری( و ویژگیهای نانوکریستالها ميپردازد و همچنین مروری بر وضعیت فناورانه نانوکریستالها و نانوساختارها در تولید نسل سوم سوختهای خورشیدی و سلولهای فوتوولتائیک دارد. سال نهم دي 89 شماره 10 پياپي 159 17
نانوساختارهای الکترونی ذرات که زمانی و محدود کوچکی بسیار فضای در نیمههادیها نشان خود از کوانتائی اثرات میشوند منحصر رد میتواند انحصار و محدودیتها این میدهند. با 1980 سال در کوانتومی )فیلمهای بعد یک عنوان به و میشدند نامیده کوانتومی جریان نام است( نانوسایز مواد بین در کوانتائی مواد اولین یا کوانتومی( سیمهای یا )میلهها بعد دو در از بعضی باشند. داتها( )کوانتوم بعد سه در استفاده 3D و 2D 1D عائم از نویسندگان البته نيستند. دقیق عائم این البته میکنند آلی مواد و فلزات قبیل از نانوساختار مواد دیگر مقاله این در ولی باشند مطرح میتوانند نیز است نظر مد نانوساختار نیمههادیهای بیشتر خورشیدی انرژی تبدیل در آنها کاربردهای و مورد )فوتوولتائیک( خورشیدی الکتریسیته و است. بحث ساختار در حجیم نیمههادیهای امروزه میشوند. برده کار به تجاری فوتوولتائیکهای مستقیم )تبدیل خورشیدی سوختهای امروزه از سوختهائی به آب یا کربن اکسید دی یا هیدروکربنها الکلها هیدروژن قبیل اما هستند. خاص توجه مورد کربوهیدراتها( فوتوولتائیکها خاف بر خورشیدی سوختهای نمیشوند. تولید صنعتی صورت به هنوز که خورشید نور تابش از زیستی سوختهای میگیرد منشأ است بیولوژیکی فوتوسنتز عامل مورد اما است امروزی جدید صنایع از و تقسیمبندیهای در و نيست مقاله این بحث است. نگرفته قرار خورشیدی سوختهای مرحله دو شامل زیستی سوختهای فرآیند و زیستی محصول برداشت از: عبارتند که است تخمیر ازقبیل فرآیندهائی طریق از آنها تبدیل حرارتی. تصفیه و در است بحث مورد مقاله این در که نانو علم میتواند و است فوتوولتائیک پدیده با ارتباط مستقیم تولید به مربوط رویکردهای در باشد. مهم خورشیدی سوختهای عنوان به نانوساختار کریستالی مواد دارای که میشوند شناخته نانوکریستالها میلهای مکعبی کروی قبیل از مختلفی اشکال )نوار( ریبون چهارپر پوسته لولهای سیم هستند. قرص شکل به و صفحهای فنجانی با مرتبط کاربردهای به مربوط اول شکل 6 این در ولیکن هستند شدنی تجدید انرژیهای کوانتومداتهای روی بر بحث موضوع مقاله تک کربنی نانولولههای همچنین و نیمههادی است. دیواره با الکترونهای ایجاد باعث و است بیشتر الکتریکی بار با حفره و منفی الکتریکی بار حجیم معدنی هادیهای نیمه میشود. مثبت و هستند باالئی دیالکتریک ثابت دارای اتاق دمای در شده تولید الکترونی ذرات الکتریکی هدایت طریق از و هستند ناپیوسته هب که میشوند جابهجا سرعت به نیمههادیها آزاد الکتریکی بارهای یا آزاد حاملهای آنها ثابت دارای آلی نیمههادیهای میشود. اطاق مولد حاملهای و هستند پائینی الکتریک دی»الکترون-حفره«زوج و هستند پیوسته فوتون نامیده Exciton نام با که میدهند تشکیل را تفکیک برای معدنی نیمههادیهای در میشوند. الکتریکی میدان حفره و آزاد الکترونهای آنها از کدام هر سپس و است نیاز مورد داخلی جمع مخالف الکتریکی بار با الکترودهای در مورد فوتوولتائیک سلولهای در و میشوند الکتریکی میدان این میگیرند. قرار استفاده میآید. بهوجود تجهیزات در p-n اتصال از فلز و نیمههادی بین شاتکی اتصاالت بنابراین مربوط ترمودینامیکی آزاد انرژی با مایع یا مورد میتواند و کرده برخورد نیمههادیها به گیرد. قرار استفاده باید Excitonها آلی نیمههادیهای در جدا هم از باید آن اجزاء طوریکه شوند تفکیک مخالف الکتریکی بار با الکترودهای در و شده شوند. جمع ویژگی یک دارای خورشیدی سلولهای همه انرژی دارای فوتونها هستند. فوتونها نام با بارز نیمههادیها الکترونی الیه فاصله از که است یا آزاد حاملهای تولید باعث و است بیشتر برانگیخته حاملهای و میشوند Excitonها به میشوند. نامیده برانگیخته Excitonهای یا سینتیکی آزاد انرژی الکترون زیاد انرژی این از کمتر تا ثانیه )پیکو سرعت به و میشود گفته از فونون-الکترون پراکنش طریق از ثانیه( پیکو میشود. تبدیل حرارتی انرژی به و میرود بین سطوح Excitonها یا آزاد حاملهای سپس انرژی )سطح میکنند اشغال را پائین انرژی الیههای و ظرفیت الیه باالئی الیههای به پائین و میشود( اطاق الکتریکی هدایت پائینی الکتریکی یا شیمیائی کاربردهای برای طوریکه اینکه یا و گیرند قرار استفاده مورد میتوانند تابشی غیر یا تابشی مجدد ترکیب طریق از و Shockley 1961 سال در میروند. بین از حاصل ترمودینامیکی کارآئی حداکثر Queisser الکتریکی انرژی به خورشیدی انرژی تبدیل از و کردند محاسبه را فوتوولتائیک سلولهای در نظر در را فرض دو فوق محاسبه برای ضمنا انرژی سطوح به حاملها برگشت 1( گرفتند: آزاد انرژی رفتن بین از سازوکار تنها 2( پائین انجام محاسبات با باشد. تابشی مجدد ترکیب معادل ترمودینامیکی کارآئی حداکثر شده 1/4- ev بهینه باند فاصله با درصد 31-33 به مربوط الیه )فاصله است شده گزارش 1/1 این به نزدیک بسیار گالیوم آرسنید و سیلیکون است(. مقدار از ناشی انرژی اتاف کاهش برای روش یک ها حامل در پائین انرژی سطح به برگشت الیههای فاصله با مختلف نیمههادیهای اتصال الیهها فاصله بیشترین که است متفاوت الیههای فاصله تبدیل کارآئی میشود. حاصل یافته تطبیق خورشید نور طیف با که مضاعف البته است. 1-sun شدت در درصد 67 است الیهها تعداد اتصال در نیز محدودیتهائی هم به الیه فاصله 3 تا 2 عملا دارد. وجود شده مشاهده کارآئی باالترین و شدهاند متصل فوتوولتائیک سلولهای اتصاالت نوع این برای نشان تئوری محاسبات است. تائی 3 اتصال کارآئی الیه شکاف 2 از استفاده با که میدهند پایه بر فوتوولتائیکهای حجیم نیمههادیهای فوتوولتائیک خورشیدی سلولهای کار اساس انرژی است. خورشید انرژی جذب مبنای بر نیمههادیها الکترونی الیه فاصله از خورشیدی ها دات کوانتوم در مضاعف Exciton تولید شکل 1 : پياپي 159 10 شماره دي 89 نهم سال 18
معادل 43 درصد با 3 شکاف الیه کارآئی معادل 48 درصد با 4 شکاف الیه کارآئی معادل 52 درصد و با 5 شکاف الیه کارآئی معادل 55 درصد حاصل خواهد شد. میزان کارآئی ثبت شده در آزمایشگاه مربوط به اتصال سه گانه GaInAs) GaInP2/GaAs/Ge (or است که معادل 41 درصد است )با شدتهای 140-240(. sun باالترین کارآئی اندازهگیری شده مربوط به یک اتصال منفرد سیلیکون در سلولهای فوتوولتائیک است و در شدت 1-sun بازدهی معادل 25 درصد اندازهگیری شده است. کارآئی ماژولهای فوتوولتائیک تجاری 75 درصد میزان کارآئی اندازهگیری شده در آزمایشگاه است. سلولهای خورشیدی حاوی حاملهای برانگیخته جهت افزایش کارآئی تبدیل در سال 1982 محاسبات ترمودینامیکی برای اولین بار نشان داد که کارآئی باالی بهدست آمده از اتصال پیوسته شکافهای الیه میتواند از طریق به کارگیری انرژی بیشتر حاصل حاملهای برانگیخته مولد نور باشند به شرطی که قبل از اینکه آنها سرد شوند و از طریق پراکنش فونون-الکترون به دمای شبکه برسند به کار گرفته شوند. در محدوده دمای 3000 k بازده تبدیل به 67 درصد میرسد. یک روش برای رسیدن به این درصد بازده باال این است که قبل از اینکه حاملهای برانگیخته سرد شوند به جمع کنندههای حامل که با انرژی خروجی برخورد میکنند انتقال یابند )داخل یک الکترولیت اکسنده-کاهنده در یک سلول تولیدکننده سوخت فوتوالکتروشیمیائی یا بهوسیلهی یک تماس اهمی در یک سلول فوتوولتائیک. به این سلولها سلولهای خورشیدی بر پایه حاملهای برانگیخته گفته میشود. رویکرد ثانویه استفاده از انرژی سینتیکی حاملهای برانگیخته جهت تولید زوجهای الکترون-حفره است. این فرآیند در نیمههادیهای حجیم یونیزاسیون ضربهای نامیده میشود و فرآیندی از نوع اوژر معکوس Auger) (Inverse است. بنابراین یونیزاسیون ضربهای نمیتواند در بهبود بازده تبدیل نیرو در سلولهای خورشیدی امروزی که بر پایه Si, CdTe, CuIn x و یا نیمههادیهای Ga 1-x Se 2 نوع III-V هستند مثمر ثمر باشد زیرا بازده کوانتومی برای یونیزاسیون ضربهای منجر به تولید حاملهای اضافی نمیشود درنتیجه انرژیهای فوتون نمیتوانند به ناحیه ماوراءبنفش در طیف نور خورشید برسند. در نیمههادیهای حجیم آستانه انرژی فوتون برای یونیزاسیون ضربهای جهت حفظ انرژی افزایش مییابد زیرا مومنتوم کریستال (k) باید حفظ شود بعاوه سرعت یونیزاسیون ضربهای باید با سرعت آسایش انرژی قابل رقابت باشد شکل 2 : محاسبات Queisser) S-Q (Shokley and مربوط به کارآئی تبدیل انرژی سلول فوتوولتائیک برای ویژگیهای MEG در سلولهای خورشیدی کوانتوم دات در مقایسه با سلولهای فوتوولتائیک بر پایه نیمههادیهای حجیم. L(n) آستانه انرژی فوتون MEG در واحدهائی از شکاف الیه انرژی را نشان میدهد. شیب نمودار نشانگر کارآئی ) Excitonهای اضافی/ شکاف الیه انرژی فوتون است( که این کار با نشر فونون از طریق انتشار فونون-الکترون حاصل میشود. زمانی که انرژی سینتیکی الکترون چند برابر انرژی شکاف الیه (Eg) است آنگاه سرعت یونیزاسیون ضربهای با سرعت انتشار فونون قابل رقابت میشود. در نیمههادیهای حجیم انتقال بین یونیزاسیون ضربهای کارآمد و ناکارآمد به آهستگی اتفاق میافتد به عنوان مثال در سیلیکون بازده یونیزاسیون ضربهای تنها 5 درصد )بازده نهائی کوانتوم برابر 105 درصد( در Eg) hυ=4 ev (3.6 و 25 درصد در (4.4 Eg) hυ=4.8 ev است. کوانتوم دات مولدهای Exciton مضاعف و سلولهای خورشیدی نسل سوم به دلیل محدودیتهای فضائی الکترونها و حفرهها در کوانتوم داتها: 1( زوج + h_ e - وابسته به هم هستند و به صورت Exciton نسبت به حاملهای آزاد حضور دارند 2( سرعت برگشت به الیه با انرژی پائینتر در الکترونهای برانگیخته و حفرهها کند است و دلیل آن تشکیل حالتهای الکترونی مجزا است 3( مومنتوم عدد کوانتوم مناسبی به نظر نمیرسد و بنابراین نیاز به مومنتوم کریستال نیز کاهش مییابد 4( به دلیل افزایش بر همکنش کولنی در زوج + h_ e - فرآیند اوژر نیز افزایش مییابد. به دلیل عوامل ذکر شده پیش بینی میشود که تولید زوجهای مضاعف + h_ e - در کوانتومداتها نسبت به نیمههادیهای حجیم افزایش پیدا خواهد کرد (hυ th برای تقویت و همچنین آستانه انرژی ) زوج الکترون-حفره (EHPM) و کارآئیشان )تعداد زوج الکترون-حفره تولید شده به ازاء شکاف الیه انرژی اضافی باالتر از آستانه انرژی )EHPM نیز افزایش خواهد یافت. در کوانتوم داتها تشکیل Excitonهای مضاعف با نام»تولید Excitonهای مضاعف«یا MEG خوانده میشود. حاملهای آزاد از طریق تفکیک Excitonها بهوجود میآیند که در ساختار تجهیزات فوتوولتائیک نیز اتفاق میافتد. در سال 2001 امکان افزایش MEG در کوانتوم داتها پیشنهاد شده است و شکل 1 نیز مفهوم کلی از آن را به نمایش گذاشته است. شکل 2 محاسبات Queisser) S-Q (Shokley and در محدوده تابشی را برای سلولهای خورشیدی متداول در مقایسه با سلولهای خورشیدی کوانتوم دات به نمایش گذاشته است و از ویژگیهای مختلف MEGها در موضوع آستانه η EHPM استفاده (hυ th و کارآئیشان انرژی فوتون ) کرده است. معادله زیر رابطه بین آستانه انرژی η EHPM را (hυ th برای MEG و کارآئیشان فوتون ) نشان میدهد: hυ th /E g =1 + 1/η EHPM این مقاله نشان میدهد که چرا برای مقایسه کارآئی MEG در مقابل یونیزاسیون ضربهای در سال نهم دي 89 شماره 10 پياپي 159 19
میشود استفاده hυ th /E g رابطه از حجیم مواد کوانتومی بازده نمودار به مربوط خط شیب η EHPM یا MEG کارآئی hυ th /E g مقابل در MEG hυth/eg جای به کارگیریhυ به بود. خواهد این که بود شده پیشنهاد پیشین مقاالت در زیرا نبودند برخوردار کافی اعتبار از محاسبات و داتها کوانتوم در MEG بین کارآئی اختاف حجیم نیمههادیهای در ضربهای یونیزاسیون سلنید داتهای کوانتوم در نداشت. وجود سلنید برابر دو MEG η) EHPM ) کارآئی سرب بود. شده گزارش حجیم سرب بیشترین پیداست شکل 2 از که همانطور تبدیل کارآئی حداکثر افزایش که MEG بهره 44 به درصد 32 از دستیابی قابل نیروی بهدست زمانی است 1 sun شدت در درصد 2 MEG آستانه برای فوتون انرژی که میآید همچنین و باشد دات کوانتوم الیه شکاف برابر تدریجی پلکانی تابع صورت به کوانتومی بازده N فوتون انرژی وقتی طوریکه مییابد افزایش N نیز کوانتومی بازده مقدار است Eg برابر Eg برابر 2 MEG آستانه که زمانی شد. خواهد در خطی صورت به نیز کوانتومی بازده است در L 2 ( مییابد افزایش فوتون انرژی با مقایسه تبدیل کارآئی حداکثر حالت این در شکل 2 (. آستانه معادله 1 طبق بر است. درصد 37 معادل با hυ th ضربهای( یونیزاسیون )یا MEG انرژی افزایش MEG کارآئی مقدار کاهش که میدهد نشان شکل 2 همچنین مییابد. بر خورشیدی سلولهای تبدیل کارآئی حداکثر حجیم نیمههادیهای برای دات کوانتوم پایه برابر 3 )0/5ev از )کوچکتر کم الیه شکاف با خورشیدی سلولهای همان نیمههادیهای اگر نکردهاند. استفاده MEG از که است یابد افزایش 0/9-1/3 ev مقدار به الیه شکاف حجیم مواد برابر 4-5 میزان به کارآئی حداکثر تقویت برای حجیم نیمههادیهای بود. خواهد آستانه ضربهای یونیزاسیون طریق از حاملها شکاف انرژی برابر 3-4 معادل فوتونی انرژی شکل 2 از که همانطور و دارند حجیم مواد الیه نمیتوانند حاملها تقویت طریق از پیداست دهند. نشان خود از باالئی انرژی تبدیل کارآئی دات کوانتوم سیستمهای گسترش و شناخت میدهد نشان را MEG پلکانی ویژگی یا L 2 که در برانگیز بحث موضوعات جمله از )شکل 2 ( خورشیدی سلولهای روی بر تحقیقات انجام است. دات کوانتوم پایه بر شد داده توضیح باال در که همانطور جهت برانگیخته-حفره الکترون زوجهای میشود. گرفته کار به تبدیل کارآئی افزایش میتوانند نیز داتها کوانتوم و نانوکریستالها کار به سوم نسل خورشیدی سلولهای در تبدیل کارآئی افزایش باعث و شوند گرفته میشود: انجام زیر صورت به فرآیند این شوند. الیه در دات کوانتوم آرایههای کارگیری به 1( الیه تشکیل و خورشیدی سلولهای حدواسط نیمههادی اولیه الیه شکاف در جدید الکترونی )2 پائینترمیشود انرژی جذب باعث طوریکه طیف اصاح جهت نانوساختارها کارگیری به تبدیل فرآیند طریق از خورشیدی ورودی جریان مذکور رویکرد دو هر در پائین. و باال این که است ذکر شایان مییابد. افزایش فوتون پیگیری مختلفی آزمایشگاههای در رویکردها قرار بحث مورد مقاله این در ولی است شده است. نگرفته تجهیزات بهوسیلهی مضاعف Excitonهای روش اولین شدهاند. اسپکتروسکوپیشناسائی Exciton تولید از ناشی عامت نمایش برای که اسپکتروسکوپی است شده برده کار به مضاعف مضاعف Exciton آنالیز است. (TA) گذار جذبی گذار جذبی اسپکتروسکوپی اطاعات پایه بر انرژی از تابعی عنوان به که زمانی تحلیل با یک در است. استوار است فوتون برانگیخته جذبی اسپکتروسکوپی بهوسیلهی آزمایش بهوسیلهی الیهها بین دینامیکهای گذار این در شد. گذاشته نمایش به پالسی کاوش کوانتوم الیه شکاف در برانگیختگی از آزمایش در که صورتی در است شده استفاده دات محدوده در پالسی کاوش دیگری آزمایش درون گذار حاالت و است میانی قرمز مادون که هائی Exciton به مربوط 1S) e _1P e ) باندی گذاشته نمایش به را شدهاند تشکیل جدید کوانتومی بازده آزمایش دو هر در است. است. آمده بهدست یکسانی MEG به مربوط پیکو )3 اولیه زمان ماکزیمم اولی آزمایش در بهوسیلهی نوری القاء از ناشی جذب تغییر ثانیه( تجزیه دینامیکهای با همراه ضربهای پالس همچنین و مضاعف Excitonهای به مربوط اوژر گذار جذبی اسپکتروسکوپی سیگنال از ناشی شده تفکیک اضافی Excitonهای اینکه از بعد تعداد به ثانیه( پیکو 300 از )بیشتر بودند میشود. مربوط شده تولید Excitonهای دینامیکهای دومی آزمایش در جذب به مربوط گذار جذبی اسپکتروسکوپی از بعد میانی قرمز مادون باندی درون گذاشته نمایش به فوتون پالسی برانگیختگی است. گرفته قرار آنالیز مورد همچنین و شده اولی آزمایش از گزارشی Kilmov و Schaller سلنید نانوکریستالهای مورد در باال در مذکور برانگیختگی انرژی آستانه و دادند ارائه را سرب هر ازاء به Exciton دو موثر تشکیل برای را گزارش در ولی نمودند. گزارش 3E g در فوتون در MEG برای انرژی آستانه دوم آزمایش 2E g میزان به سرب سلنید داتهای کوانتوم و موثر MEG که آنست نشانگر و شد گزارش داتهای کوانتوم و سرب سولفید در نیز کارآمد میپیوندد. وقوع به (PbTe) سرب تلورید MEG که دادند نشان تکمیلی آزمایشهای سرب سلنید قبیل از داتهائی کوانتوم برای تلورید ایندیم فسفید سیلیکون کادمیم سلنید هسته- ساختار با داتهائی کوانتوم و کادمیم گزارش نیز کادمیم کادمیم/تلورید سلنید از الیه داتهای کوانتوم برای MEG آستانه است. شده و است شده گزارش 2/1 E g ایندیم فسفید از است )عبارت (Photocharging) نوری شارژ نمونههای در )MEG برای دات کوانتوم شارژ کوانتوم برای است. نشده دیده دات کوانتوم کادمیم/ سلنید هسته-الیه ساختار با داتهای با فوتولومینسانس تکنیک از کادمیم تلورید Excitonهای اثرات نمایش جهت زمانی تحلیل که PL تأخیر دینامیکهای روی بر مضاعف میکند اندازهگیری را MEG کوانتومی بازده میشود. استفاده 100 از کمتر MEG برای زمانی محدوده بسیار زمان این است شده گزارش ثانیه فمتو حالت از Excitonها برگشت سرعت از سریعتر )قابل است کمتر انرژی با حالت به برانگیخته برهم اثر در Excitonها برگشت که است ذکر برگشت بنابراین و است( الکترون-فونون کنش و شده انجام سرعت به برانگیخته Excitonهای کرد. خواهد پیدا باالئی کارآئی برای شده گزارش کوانتومی بازده مقادیر در را زیادی نظرهای اختاف hυ/e g در MEG طور به میسازد آشکار تحقیقاتی گروههای بین کوانتوم برای شده گزارش کوانتومی بازده مثال 130 از hυ/e g 4= در سرب سلنید داتهای تعداد بنابراین است. متغیر درصد 300 تا درصد از برخی نتوانستند شده چاپ مقاالت از کمی هم اگر یا و کنند تکرار را MEG مثبت نتایج بسیار آن میزان است شده مشاهده نتایجی که است شده ادعا گزارش یک در است. کمتر یونیزاسیون با ی برابر MEG کارآئی توانستهاند بنابراین آورند بهدست را حجیم مواد در ضربهای کوانتوم در MEG کارآئی روی بر جدال و بحث رد اختافها این دلیل میشود. مطرح داتها شیمی و داتها کوانتوم سطحی اصاح تأثیر در MEG دینامیکهای روی بر آنها سطح و است برگشت حالت دینامیکهای با مقایسه سطح الکتریکی بار اثرات به موارد بعضی در گذار اسپکتروسکوپی آزمایشات طول در که به MEG کوانتومی بازده تعیین برای )که دارد بستگی نیز میشوند تولید میرود( کار نیمهعمر با الکتریکی بار دیگر موار بعضی در کوانتوم در را (Trions) تریونها میتواند باال تولید اضافی فوتون یک جذب از بعد داتها تأخیر زمان کردن مغشوش باعث سپس و کند این میشود. سیگنالهای حذف یا گذار جذب برآورد و هستند MEG از عايمی ها سیگنال ممکن را MEG کوانتومی بازده از اولیهای اثرات که میدهد نشان اخیر تحقیق میسازد. سطح شیمی به و نیست بزرگ همیشه شارژ فوتون انرژی فوتون اثر داتها کوانتوم ویژه مورد هر در دارد. بستگی دات کوانتوم اندازه و پياپي 159 10 شماره دي 89 نهم سال 20
دات کوانتوم پایه بر فوتوولتائیک خورشیدی سلول پیکربندیهای شکل 3 : MEG آزمایشات در میتواند نوری شارژ اثرات زمانی تحلیل با جذبی اسپکتروسکوپی پایه بر سوسپانسیون همزدن با کار این شود. حذف زدن هم با میشود. انجام دات کوانتوم کلوئیدی پیدا یکنواختی حجم دات کوانتوم نمونههای کوانتومی بازده مقدار از اطمینان جهت میکند. جذبی اسپکتروسکوپی بهوسیلهی که MEG بررسی باید شارژ انجام امکان میشود تعیین حالت فیلمهای روی بر باید بررسیها این شود. شود. انجام استاتیک محلولهای یا جامد بیتأثیر بررسی ها آزمایش این انجام ضرورت بر افتاده دام به الکتریکی بار تأخیر اثرات بودن است. MEG کوانتومی بازده تعیین روی اثرات به مربوط گزارشها از بسیاری در MEG نیمههادی داتهای کوانتوم در MEG شده گزارش تکدیواره کربنی نانولولههای در نانولولهها در باید MEG تئوری نظر از است. کند. پیدا افزایش داتها کوانتوم به نسبت و e-_e- قوی کنشهای برهم در موضوع این و سطحی )اصاح سطح حالتهای غیاب در شده داده نشان نانولولهها در سطح( شیمی Excitonهای روی بر زیادی تحقیقات است. به نسبت مختلف نانوساختارهای در موجود است شده انجام نیمههادی داتهای کوانتوم زیاد عملی و تئوری تحقیقات کلی طور به و در MEG عملکرد بررسی جهت پیشرفتهای و است. انتظار مورد مختلف نانوساختارهای خورشیدی سلولهای پیکربندیهای یکتائی شکافت و دات کوانتوم پایه بر کارآئی افزایش جهت اصلی روش دو جریان یا یافته افزایش نوری تبدیل}ولتاژ سلول پیکربندیهای در یافته{ افزایش نوری دارد. وجود دات کوانتوم پایه بر خورشیدی سلولهای برای پیکربندی سه کلی طور به که دارد وجود دات کوانتوم پایه بر خورشیدی است. شده داده نشان شکل 3 در پیکربندیهای باالی کارآئی کلی طور به و است تئوری صورت به باال در شده ذکر بر مبنی کمی آزمایشگاهی شواهد کنون تا باعث میتوانند برانگیخته الکترونهای اینکه فوتوولتائیک سلول یک در نوری ولتاژ افزایش افزایش انرژی تبدیل کنون تا دارد. وجود شود خورشیدی سلولهای برای باال کارآئی با یافته وجود علیرغم است. نشده گزارش فوتوولتائیک خورشیدی سلولهای در MEG باالی کارآئی این روی بر تحقیقات ادامه دات کوانتوم پایه بر است. توجیهپذیر موضوع خورشیدی سلولهای در یافته افزایش کارآئی ای Exciton نانوکریستالها داتها کوانتوم نوری الکترودهای در شده تقویت حاملهای بازده افزایش باعث میتوانند نیمههادیها سوختهای تولید در خورشیدی سلولهای اثرات کاربردها نوع این در شوند. خورشیدی الکترودهای در میتوانند نیمههادیها در MEG بازدهی افزایش باعث و شوند برده کار به نوری همچنین شوند. آب مستقیم شکافت سلولهای و اندازه با نانوکریستالها یا داتها کوانتوم تائی دو سلولهای در میتوانند مختلف اشکال کار به هم( سر پشت صورت )به پیوسته هم به محصوالتی به آب تجزیه کارآئی و شوند برده افزایش را کربن اکسید دی و هیدروژن مانند الکلها مانند گازی سوختهای نهایت در و داده کنند. تولید را هیدروکربنها و مولکولی آنالوگهای از یکی یکتائی شکافت بهوسیلهی که است مولکولها در MEG از برانگیخته یکتائی الکترونی حالت یک آن )عاملهای مولکولی کروموفورهای به مربوط حالت انرژی پائينترین که مولکولی( رنگی حالت بین راه میانه در را تائی سه الکترونی الکترونی حالت اولین و یکتائی پایه الکترونی تائی سه حالت دو دارد را برانگیخته یکتائی تولید را یکتائی برانگیخته الکترونی حالت از در میتوانند کروموفورها قبیل این میکند. و شوند برده کار به نوین خورشیدی سلولهای 21 پياپي 159 10 شماره دي 89 نهم سال
بازده تولید سوختهای خورشیدی و سلولهای فوتوولتائیک را افزایش دهند. 1 الکترونهای نوری تشکیل شده از آرایههای کوانتوم دات در این نوع پیکربندی )شکل 3 انتهای سمت راست( کوانتوم داتها به صورت آرایه سه بعدی شکل گرفتهاند. در این آرایش فاصله کوانتوم داتها بسیار کم است طوریکه کوپلینگ الکترونی اتفاق میافتد و باعث انتقال آسان الکترونها میشود. اگر کوانتوم داتها دارای اندازه یکسانی بوده و در یک صف آرایش گرفته باشند این سیستم یک آنالوگ سه بعدی و سوپر شبکه است که ساختارهای مینی باند در آن تشکیل میشود. حالتهای سه بعدی کوانتائی شده که تا حدودی غیر مستقر است میتواند MEG را تولید کند. حالت برگشت به سطح انرژی پائینتر در حاملها و همچنین الکترونهای غیر مستقر میتوانند اجازه انتقال و جمع شدن حاملهای برانگیخته را صادر کرده و پتانسیل نوری باالئی در سلولهای فوتوولتائیک یا سلولهای الکتروشیمیائی نوری ایجاد کنند. پیشرفتهای زیادی در زمینه ساخت آرایهای سه بعدی از کوانتوم داتهای کلوئیدی هم بافتههای و III-V انجام شده است. از طریق فرآیندهای تبخیر کریستالیزاسیون و یا خودمونتاژی محلولهای کلوئیدی کوانتوم دات ها دو سیستم تشکیل میشود که شامل پخش کوانتوم داتهای هم سایز است یا از طریق خودمونتاژی در طول فرآیند رشد هم بافته از فاز بخار تشکیل میشود. فرآیند اولی میتواند فیلمهای کوانتوم دات تنگچین (Close-pack) را تولید کنند که در این ساختار یک آشفتگی و بینظمی دیده میشود. بر طبق فرآیند دومی که بیشتر برای نیمههادیهای III-V به کار برده میشود آرایههای کوانتوم دات با ساختار هم بافته تشکیل میشود. این آرایهها از بر روی هم قرار گرفتن الیههای کوانتوم دات با ساختار هم بافته ساخته میشوند. از جمله موضوعات مهم در این زمینه عبارتند از: حالتهای الکترونی که تابعی از فاصله بین نقاط است آرایه منظم یا غیر منظم شکل و جهتگیری کوانتوم دات حالتهای سطح ساختار سطح و ناپایدارسازی آن و شیمی سطح. خصوصیات انتقال مربوط به آرایههای کوانتوم دات نیز از جمله پارامترهای مهم و بحرانی است. 2 سلولهای خورشيدی بر پایه کوانتوم دات حساس شده با نانوکریستالهای دی اکسید تیتانیوم این پیکربندی )شکل 3 باالو سمت راست( نوع جدیدی از سلولهای فوتوولتائیک است که بر پایه الیههای نانوکریستال دی اکسید تیتانیوم حساس شده با رنگدانه است. در این نوع از سلولهای فوتوولتائیک مولکولهای رنگدانه بر روی سطح نانوکریستالهای دی اکسید تیتانیوم )اندازه نانوکریستال برابر 10-30 نانومتر است( جذب شیمیائی میشود و سپس زینتر شده و به فیلم نانوکریستالی با حفرههای باال و ضخامت 10-20 میکرومتر تبدیل میشود. بر اساس برانگیختگی مولکولهای رنگدانه الکترونها از حالت برانگیخته به الیه رسانائی دی اکسید تیتانیوم جهش میکنند و سپس جدائی بار الکتریکی و اثرات فوتوولتائیک حاصل میشود. برای سلولهای کوانتوم دات حساس شده کوانتوم داتها با مولکولهای رنگدانه عجین شده است رنگدانهها میتوانند از محلول کلوئیدی کوانتوم داتها یا اینکه به صورت فرآیند در جا یا Insitu جذب شوند. اثرات کارآمد فوتوولتائیک در این نوع سلولها برای برخی از کوانتوم داتهای نیمههادی از قبیل فسفید ایندیوم سلنید کادمیوم سولفید کادمیوم و سولفید سرب گزارش شده است. از جمله فواید کوانتوم داتهای حاوی مولکولهای رنگدانه میتوان به قابلیت تعدیل ویژگیهای نوری با اندازه تقویت Excitonهای با حفرههای ثابت اشاره کرد. همچنین از جمله قابلیتهای سلولهای خورشیدی با ساختار کوانتوم داتهای حساس شده ایجاد بازده کوانتومی بزرگتر از یک بهوسیلهی MEG است. 3 کوانتوم داتهای پخش شده در نیمههادیهای آلی با ماتریس پلیمری اخیرا نیمههادیهای پلیمری که با کوانتوم داتها نیز اتصال پیدا کرده اند گزارش شده است. در یک پیکربندی آرایهای نامنظم از کوانتوم داتهای سلنید کادمیوم در یک پلیمر نیمههادی با نام پلی } 2 -متوکسی- 5 - ) 2 -اتیل( هگزیا اکسی پارا فنیلن وینیلین{ یا MEH-PPV تشکیل شده است. برانگیختگی نوری کوانتوم داتها باعث بهوجود آمدن حفرههائی در فاز پلیمری MEH-PPV میشود و از طریق یک تماس الکتریکی وارد فاز پلیمری میشود. الکترونها در کوانتوم داتهای سلنید کادمیوم باقی میمانند و از طریق نفوذ و تراوش در فاز نانوکریستالی جمع ميشوند. نتاج اولیه نشان میدهد که کارآئی تبدیل پائین است اما با به کارگیری کوانتوم داتهای میلهای سلنید کادمیوم که در پلی ) 3 -هگزیل تیوفن( تعبیه شده است )شکل میله ای انتقال الکترون را از طریق فاز کوانتوم دات نانوکریستالی تسریع منبع میبخشد( بهبودهائی حاصل شد. اخیرا پلیمرهای جدیدتری Konarka) (PCDTBT, معرفی شده است که این پلیمرها خواص الکتریکی بهتری را نشان میدهند )31/3 درصد تأیید شده بهوسیلهی آزمایشگاه ملی انرژیهای تجدیدشدنی(. در پیکربندی دیگری یک الیه پلی کریستالی از دی اکسید تیتانیوم به عنوان فاز رسانای الکترون استفاده شده است و همچنین پلیمر MEH-PPV نیز برای رسانا کردن حفرهها به کار برده میشود. بر اثر برانگیختگی نوری کوانتوم داتها الکترون وحفرهها به داخل محیط انتقال وارد میشوند. یکی از تفاوتهای موجود در سه پیکربندی ذکر شده پراکندگی کوانتوم داتها در داخل مخلوط الکترون و پلیمرهای رسانای دارای حفره است )شکل 3 انتهای سمت چپ(. این برنامه برعکس ساختارهای دیود نشری بر پایه کوانتوم داتها است. هر کدام از پلیمرهای حامل در سلول فوتوولتائیک اتصال الکتریکی انتخابی خواهند داشت تا حاملهای بار الکتریکی را حمل کنند. یکی از پارامترهای بحرانی در این زمینه جلوگیری از ترکیب مجدد الکترون- حفره در سطح بین دو پلیمر است. این پارامتر در دیگر پیکربندیهای کوانتوم دات نیز حائز اهمیت است. همه پیکربندیهای مذکور برای سلولهای خورشیدی بر پایه کوانتوم دات در آزمایشگاههای مختلفی مورد بررسی قرار گرفتهاند. اگرچه تاکنون کارآئیهای باال و قابل اطمینانی از MEG }که شامل بازده کوانتومی جریان نوری معادل 160 درصد در 3/2Eg در یک سلول الکتروشیمیائی نوری )بازده کوانتومی برای انعکاس و جذب الکترولیت غیر صحیح بوده و بازده کوانتومی که قبل از آستانه انرژی MEG تعیین شده است 2 برابر غیر صحیح است( و همچنین کوانتوم داتهائی که به تک کریستالهای دی اکسید تیتانیوم متصل شدهاند گزارش شده است ولی سلول فوتوولتائیک بر پایه کوانتوم داتی که کارآئی تبدیل افزایش یافته آن به دلیل اثرات MEG باشد گزارش نشده است. تجمع الکترونها در حفرههای ناشی از فرآیند نوری قبل از اینکه متحمل تجزیه Excitonهای مضاعف در فرآیند اوژر شوند را میتوان یکی از دالیل پائین بودن بازده کوانتومی ذکر کرد. Excitonهای مضاعف ناشی از فرآیند ترکیب مجدد اوژر در 100-20 پیکوثانیه اتفاق میافتد. تحقیقات بیشتری نیاز است تا دینامیکهای تفکیک بارالکتریکی را در پیکربندیهای مختلف سلول خورشیدی بر پایه کوانتوم دات را توضیح دهد. Arthur J. Nozik, American Chemical Society, Nano Lett. 2010, 10, 2735 2741 22 سال نهم دي 89 شماره 10 پياپي 159