برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

آمار مقاله
  • بازدید کل ۴,۴۵۹
  • بازدید این ماه ۴۶
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۵۶
  • قبول شدگان ۳۶
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۶
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۸
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقالات منتخب ماهنامه نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

سلول‌های خورشیدی کلوئیدی بر پایه PbS و PbSe

پیشرفت‌های اخیر در دانش، سنتز و سنجش خواص نقاط کوانتومی کلوئیدی می‌روند تا تاثیری متحول‌کننده بر توسعه سلول‌های خورشیدی پربازده و کم‌هزینه داشته باشند. نقاط کوانتومی سلناید سرب (PbSe) و سولفاید سرب (PbS) بدلیل گاف انرژی مناسب، بروز پدیده تولید چند اکسایتونی، رونشانی از فاز محلول، جذب در طیف مادون قرمز، شعاع بوهر اکسایتونی بزرگ و فراوانی در چند سال اخیر در مرکز تحقیقات بوده‌اند. در اینجا با شروع از نخستین تلاش‌ها در بکارگیری نانو مواد نیمه‌رسانا به عنوان لایه جاذب سلول‌های خورشیدی، به مرور زمانی پیشرفت‌های صورت گرفته در افزایش بازده و پایداری سلول‌های فوتوولتائیک بر پایه نقاط کوانتومی PbSe و PbS می‌پردازیم. در گزارش‌های اولیه اگر چه بازده سلول‌ها پایین بود اما سلول‌ها پایداری نسبتا خوبی داشتند. در ادامه برخی از محققان توانستند با روش‌هایی از جمله انجام مراحل سنتز، ساخت و تست سلول‌ها در درون محفظه عاری از اکسیژن، به بازده‌های رکوردزدنی دست یابند و ولتاژ مدار باز آنها به مقدار حداکثری مورد انتظار در سلول‌های سد شاتکی نزدیک شد. روش‌های مختلفی برای بهبود عملکرد این سلول‌ها توسط گروه‌های تحقیقاتی در سراسر دنیا صورت گرفته‌اند از جمله: استفاده از نقاط کوانتومی کوچک‌تر و اتصال فلزی پایدارتر، تعویض لیگاند، پرداخت گرمایی و ‌شیمیایی و بهره‌گیری از ساختار پیوند ناهمگون. به گونه‌ای که بازده از حدود 0/5% در نمونه های اولیه به بالای 6% افزایش یافته و پایداری سلول‌ها برای ماه‌ها در محیط باز حفظ می‌شود. در پایان، برخی از چالش‌های بر سر راه توسعه بیشتر این سلول‌ها و راه‌حل‌هایی برای از میان برداشتن این موانع ارائه می‌شوند.
1. مقدمه
در دهه‌های اخیر تلاش‌های زیادی برای توسعه سلول‌های خورشیدی در جهت کاهش هزینه‌های ساخت و افزایش بازده آنها صورت گرفته است. این تلاش‌ها به دنبال استفاده از فرآیندهایی بوده‌اند که به رونشانی در خلا، دمای فرآیند بالا، زمان‌های طولانی فرآیند و زیر لایه‌های سخت و گران‌قیمت نیازی نداشته باشند. برای این منظور مواد و ساختارهای گوناگونی مورد مطالعه قرارگرفته‌اند نظیر: نانوساختارها، ریزمولکول‌ها، پلیمرهای مزدوج و مواد ترکیبی. در این میان، سلول‌های فوتوولتائیک ساخته شده از فاز محلول بدلیل هزینه اندک، سادگی ساخت، در بسیاری از موارد عدم احتیاج به دماهای فرآیند بالا و امکان ساخت روی زیر لایه‌های ارزان‌قیمت و انعطاف‌پذیر و امکان تشکیل سلول‌های خورشیدی صفحه گسترده، بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
نانو مواد کلوئیدی را می‌توان به صورت‌های رونشانی چرخشی، فرو بردن، افشانه‌های جوهری و چاپ از فاز محلول برای تشکیل لایه‌های نازک نانوکریستالی روی زیر لایه‌های مختلفی، رونشانی کرد. با کامل‌تر شدن دانش ما از روش‌های سنتز ایمن، ساده و مقیاس‌پذیر برای تولید وسیع نانوساختارهای کلوئیدی با کیفیت و شناخت خواص اپتوالکترونیکی آرایه‌های نانوکریستالی نیمه‌رسانا در دهه گذشته، تلاش‌ها برای بکارگیری این مواد به عنوان لایه فعال جاذب نور، در اواخر دهه آغاز شد. شکل‌های مختلفی از نانومواد شامل: نانوذرات، نانوسیم‌ها و نانولوله‌ها و همچنین مواد جدیدی شامل نانولوله‌های کربنی و گرافن در ساختارهای گوناگونی نظیر سلول‌های سد شاتکی، پیوند دوتایی p-n، رنگدانه‌ای، هیبریدی و کامپوزیت پلیمری بکار گرفته شده‌اند. در حقیقت سلول‌های خورشیدی نانوکریستالی از برخی مزیت‌های سلول‌های خورشید آلی و پلیمری مانند رونشانی از فاز محلول و پوشش طیفی گسترده‌تر سود برده در حالی که از پایداری گرمایی و الکتریکی موجود در نیمه‌رساناهای غیرآلی نیز استفاده می‌کنند.
یکی از پتانسیل‌های ارائه شده توسط نانومواد درجهت افزایش عملکرد، گسترش حساسیت طیفی سلول به ناحیه فروسرخ نزدیک است که بیش از نیمی از انرژی خورشیدی که به زمین می‌رسد را در خود جای داده است. گاف انرژی را می‌توان با انتخاب ماده و ترکیب خاص جاذب نور و همچنین تغییر اندازه و شکل آنها در جریان سنتز با تغییر پارامترهایی چون دما، لیگاندهای مهارکننده و زمان واکنش، در محدوده‌ای تنظیم کرد تا برای بهره‌گیری از این قسمت از طیف خورشیدی مناسب باشد. از جمله نانوموادی که می‌تواند برای این منظور به کار گرفته شود نقاط کوانتومی کالکوژن‌های سرب می‌باشد.
گاف انرژی کالکوژن‌های سرب (PbS 0.41 ev و PbTe 0.31 ev و PbSe 0.28 ev) به گونه‌ای است که حساسیت نوری خوبی در ناحیه مادون قرمز نزدیک طیف انرژی خورشیدی دارند. اگر چه سلول‌های خورشیدی پلیمری و آلی نیز از مسئله رونشانی از فاز مایع سود می‌برند، اما وسایل ساخته شده از کالکوژن‌های سرب (Pb) به طیف وسیع‌تری از انرژی خورشیدی در ناحیه مادون قرمز بدلیل باند گپ کوتاه خود دسترسی دارند و به بازده تبدیل انرژی (PCE) بالاتری می‌توانند دست یابند. دیگر مزیت سلول‌های خورشیدی مادون قرمز این است که همزمان با استفاده از این بخش گرمایی طیف، از افزایش دمای سلول که خود به کاهش کارایی سلول می‌انجامد، جلوگیری می‌شود. به عنوان مثال، نانوذرات PbSe با قطر 6/5 نانومتر (nm) دارای باند گپ 0/7 الکترون ولت (eV) می‌باشند بدین معنا که می‌توانند طول موج‌های کوچکتر از 1770 nm نانومتر را جذب نمایند که این خود بیش از 90% انرژی است که از خورشید به زمین می‌رسد. در صورتی که سلول‌های خورشیدی بر پایه Si و CdTe که همینک در بازار موجود هستند تنها طول موج‌های زیر 1100 nm و 830 nm را به ترتیب می‌توانند جذب کنند.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1. مقایسه سه ساختار سلول‌های فوتوولتائیک بر پایه نقاط کوانتومی : (a . سد شاتکی، (b پیوند ناهمگون، (c پیوند ناهمگون حجیم و (d حساس شده با نقاط کوانتومی

نخستین گزارش‌ها در مورد سلول‌های خورشیدی مادون قرمز ساخته شده از فاز محلول، از مواد آلی بوده است اما حساسیت نوری آنها تا کنون به طول موج‌های زیر 1000 nm محدود بوده است. برخی تلاش‌ها نیز بر سلول‌های آلی حساس شده با نانوکریستال‌ها و به صورت سلول‌های کامپوزیتی پلیمر – نانو کریستال، تمرکز داشته‌اند اما بازده آنها نسبت به دیگر وسایل پیوند ناهمگون حالت حجیم آلی، کم است. اما برخی نتایج نشان می‌دادند که ساخت سلول‌های کارای تماما بر پایه نانوکریستال‌ها ممکن است. نقاط کوانتومی PbSe و PbS با مشخصه قابل تنظیم بودن گاف انرژی می‌توانند تمام ناحیه مادون قرمز را با اندازه‌های مختلف خود، پوشش دهند.
اگر چه سلول‌های خورشیدی تاندوم نیز برای بهره‌گیری از این قسمت طیف طراحی شده‌اند و برخی از سلول‌های تاندوم ساخته شده از پیوندهای سه‌تایی گالیم آرسناید به بازده 34/1% تحت نور غیر متمرکز و تحت نور متمرکز به بازده 43/5% نیز دست یافته‌اند، اما هزینه‌های ساخت آنها به میزانی است که تنها برای استفاده در کاوش‌های فضایی به کارگرفته شده‌اند. اما سلول‌های تک پیوندی نانو کریستالی که به صورت بهینه در ساختار تک صفحه‌ای طراحی شده باشند نیز می‌‌توانند از این بخش از طیف خورشیدی استفاده نمایند.
کنترل‌ها روی اندازه نانوذره، شکل و ترکیب آن در جریان سنتز، امکان تنظیم خواص اپتیکی و الکترونیکی آنها را ایجاد می‌کند. یکی از چالش‌های بکارگیری نانومواد کلوئیدی این است که چگونه از مزیت اثر حبس کوانتومی در آرایه‌های لایه نازک نانوکریستالی آنها استفاده کرد بدون اینکه انتقال بار الکتریکی به الکترودها با اخلال مواجه شود. نانومواد مختلفی نیز در این زمینه استفاده شده است اما بازده اکثر آنها بدلیل انتقال الکتریکی ضعیف، کم بوده است. کالکوژن‌های سرب با داشتن شعاع بوهر اکسایتونی می‌توانند بر این مشکل غلبه یابند. در صورت استفاده از نانوذرات کوچک این مواد (در مقایسه با شعاع بوهر اکسایتونی آنها) حامل‌ها می‌توانند از لایه لیگاندهای آلی (که معمولاً روی سطح نانو مواد کلوئیدی وجود دارد) تونل‌زنی کنند. این تونل‌زنی، جفت شدگی میان نانوذرات همسایه در یک آرایه نانوکریستالی و در نتیجه انتقال الکترونیکی در میان آنها را تقویت می‌کند.
کالکوژن‌های سرب ثابت‌های دی‌الکتریکی بزرگی دارند و در نتیجه شعاع بوهر اکسایتونی بزرگی دارند که به حبس کوانتومی قابل توجهی منجر می‌شود. نقاط کوانتومی کلوئیدی کالکوژن‌های سرب با روش‌های ساده‌ای با گاف‌های انرژی از 0/5-2 ev سنتز می‌شوند. این شعاع بوهر (18و 47 و 150 نانومتر برای PbS و PbSe و PbTe) و جرم موثر الکترونیکی و حفره‌ای کوچک (0/09 me) عدم جای‌گزیدگی بار را در لایه‌های نانوکریستالی به همراه دارد که به افزایش تحرک حامل‌ها و در نتیجه افزایش رسانایی، منجر می‌شود. به عنوان مثال PbS با داشتن گاف انرژی حالت حجیم کوچک 0/41 eV که پذیرش آن را به عنوان ماده فوتوولتائیکی محدود نموده است، با اضافه نمودن حبس کوانتومی، گاف انرژی را می‌توان بین 1-1/4 eV قرار داد و آن را در ناحیه‌ای تنظیم نمود که برای تبدیل انرژی طیف خورشیدی به الکتریسته بهینه باشد.
فرو بردن فیلم نانوکریستالی در هیدرازین، لایه نوع –n تولید می‌کند و پرداخت گرمایی که موجب خارج ساختن مولکول‌های فرار هیدرازین می‌شود باعث ایجاد لایه نوع – p می‌شود. علاوه بر آمین‌های زنجیره – کوتاه شامل هیدرازین و بوتیل آمین، مولکول‌های – تیول ساده با خارج‌سازی گسترده لیگاندهای اولئات اولیه به جفت شدگی فشرده الکتریکی در آرایه‌های نقاط کوانتومی منجر می‌شوند. در میان آنها اتان دی تیول (EDT) توجه زیادی را به خود معطوف داشته است، اگر چه وسایل بر پایه نانوکریستال‌های پرداخت شده با اتان دی تیول، فوتوجریان ناشی از تولید چند اکسایتونی قابل ملاحظه‌ای تولید نمی‌کنند. بوتان دی تیول (BDT) نیز مشابه اتان دی تیول کارایی خوبی از خود نشان می‌دهند و گزارش‌ها نشان می‌دهد که در نتیجه فراریت کمتر در مقایسه با هیدرازین و اتان دی تیول، منجر به پایداری بیشتر در هوا می‌شوند.
سرانجام اینکه نانو مواد می‌توانند از طریق یونیزاسیون فشرده، نرخ بازترکیب‌های غیر تابشی را کاهش داده و پدیده تولید چند اکسایتونی از خود نشان دهند. اگر چه حد تئوری محاسبه شده برای بازده سلول‌های فوتوولتائیک تحت شرایط استاندارد، 33/7% برآورد شده است (حد شاکلی – کویزر)، اما بازده‌های بالاتر از این حد نیز برای وسایلی که از انرژی‌هایی که معمولا بصورت گرما در هنگام بازگشت الکترون‌های داغ به پایین نوار رسانش به هدر می‌روند، استفاده می‌کنند امکان پذیر است. یک مکانیزم ممکن، استفاده از نامواد حبس کوانتومی شده‌ای است که تولید جفت‌های الکترون حفره در آنها با بازده کوانتومی بیشتر از 100% انجام می‌شود. این پدیده، تولید چند اکسایتونی نامیده می‌شود. در این مواد، فوتون‌های با انرژی -n برابر گاف انرژی می‌توانند منجر به تولید n جفت الکترون-حفره شود (n یک عدد صحیح است). در این پدیده که در نانومواد مختلفی از جمله نقاط کوانتومی کالکوژن‌های سرب و کادمیم و Si مشاهده شده است، اکسایتون‌های تولیدی باید قبل از بازترکیب در مدت زمانی کمتر از طول عمر اکسایتونی جداسازی و جمع‌آوری شوند. به‌عنوان مثال، تحت شرایط نور غیرمتمرکز، سلول‌های فوتوولتائیک تک پیوندی بر اساس نانوکریستال‌های با گاف انرژی0/7 eV ، بازده 44% و تحت شرایط نور متمرکز بازده 66% قابل دستیابی است.
برای بهره‌گیری از این مزیت‌ها، نانوذرات کالکوژن‌های سرب به‌خصوص PbS و PbSe از سال 2008 به این طرف موضوع تحقیقات فراوانی بوده‌اند. یکی از ساختارهایی که بسیار مورد تأکید قرار گرفته، ساختار وسیله ساده شاتکی بوده است. در اکثر گزارش‌ها، این وسایل از حساسیت زیاد به هوا، رنج می‌برند که این مسئله امکان ساخت کم هزینه و صفحه گسترده را که از پتانسیل‌های رونشانی فاز محلول است را با چالش مواجه می‌کند. در نمونه‌های اولیه، ساخت و مشخصه‌یابی این سلول‌ها تماما در محیط بسته عاری از اکسیژن و تحت یک گاز بی‌اثر انجام می‌گرفت و خارج نمودن وسیله حتی به‌مدت چند دقیقه، کارایی سلول را به طور کامل از بین می‌برد. تخریب سلول در دو سطح صورت می‌گیرد:
• اکسید شدن سطوح نانوکریستالی در اثر ضعیف بودن لیگاندهای روی سطح. اکسید شدگی سطح نانوذرات به عدم خنثی شدگی سطح نقاط کوانتومی و یا ایجاد مراکز باز ترکیب میان باندی منجر می‌شود.
• تخریب سطح میانی فلز-نقاط کوانتومی. فلزات با تابع کار پائین به سرعت اکسید شده و به تخریب عملکرد فوتوولتائیکی سلول منجر می‌شود. این مشکل در وسایلی که با فلزات با تابع کار بزرگ سروکار دارند، مشاهده نشده است.
تاکنون نانوساختارهای کلکوژن‌های سرب در ساختارهای گوناگونی مانند شاتکی، پیوند ناهمگون، پیوند ناهمگون حجیم، و حساس شده با نقاط کوانتومی بکار گرفته شده‌اند (شکل 1). در وسایل شاتکی، پیوندی میان یک نیمه‌رسانای نوع-p و یک فلز با تابع کار کوچک صورت می‌گیرد. عدم تطابق در ترازهای فرمی به خمش نوار در سطح میانی آنها منجر می‌شود. جفت‌های الکترون حفره توسط میدان الکتریکی جداسازی شده و الکترون‌ها به اتصال فلزی و حفره‌ها به طرف اتصال اهمی حرکت می‌کنند. در این وسایل احتمال بازترکیب حامل‌های اقلیت ایجاد شده توسط نور به دلیل عبور از عرض فیلم قبل از جمع‌آوری و همچنین سد کوچک در برابر حفره‌ها بالاست. همچنین بدلیل حالت‌های نقص در سطح میانی فلز-نیمه‌رسانا، VOC محدود می‌باشد. وسایل پیوند ناهمگون با تشکیل یک پیوند میان یک الکترود شفاف نوع-n و یک فیلم نانوکریستالی نوع-p بر این محدودیت‌ها غلبه می‌کنند و حتی سدی در برابر نفوذ حفره‌ها ایجاد می‌کنند. در اینجا الکترون و حفره‌ها در ناحیه تهی میان دو نیمه‌رسانا جداسازی می‌شوند. وسایل پیوند ناهمگون حجیم بر پایه نقاط کوانتومی مشابه وسایل پیوند ناهمگون حجیم سیلیکونی موجود در بازار هستند که با یک معماری نانوساختار می‌توانند مشکل طول نفوذ کم حامل‌های اقلیت را در سلول‌های خورشیدی نقاط کوانتومی کنونی بر طرف نمایند. این وسایل ساختاری مشابه وسایل پیوند ناهمگون دارند اما از معماری جدیدی برخوردار هستند. سلول‌های حساس شده با نقاط کوانتومی مشابه سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای هستند با این تفاوت که به جای رنگدانه‌های آلی در اینجا از نقاط کوانتومی به عنوان حساس‌کننده استفاده می‌کنند. الکترون‌های ایجاد شده توسط نور در نقاط کوانتومی به سمت الکترود منخلخل نوع-n رفته و حفره‌ها به طرف الکترولیت مایع در سمت دیگر نقاط کوانتومی می‌روند. برخی از نتایج مهمترین تحقیقات صورت گرفته در جدول 1 آمده‌اند.

جدول 1. خلاصه‌ای از ساختار و عملکرد سلول‌های خورشیدی بر پایه نقاط کوانتومی
filereader.php?p1=main_6caeba444797a281a

در این مقاله، به مرور مهمترین تحولات سلول‌های خورشیدی بر اساس نقاط کوانتومی کالکوژن‌های سرب با شروع از اولین نمونه‌های ساخته شده می‌پردازیم. بهبود کارایی و افزایش پایداری این وسایل را نیز درنتیجه استفاده از لیگاندهای قوی‌تر، روش‌های ساخت انعطاف‌پذیر، ساختارهای مختلف و اتصالات فلزی گوناگون را نیز بر مبنای زمان بررسی خواهیم نمود.

2. سلول‌های بر پایه کالکوژن‌های سرب
با ظهور فرضیه‌هایی که کلاس جدیدی از سلول‌های خورشیدی که تماما از نقاط کوانتومی کلوئیدی استفاده می‌کرد را معرفی می‌کردند، سیل تحقیقات در این حوزه آغاز شد. ساختارهای مختلفی برای بهره‌گیری از حامل‌های داغ و یونیزاسیون فشرده با بکارگیری نقاط کوانتومی پیشنهاد شد. قابلیت بکارگیری این نانوساختارها در آرایش‌هایی چون لایه-i سلول‌های p-i-n و رنگدانه در سلول‌های رنگدانه‌ای یا به‌صورت هیبرید با ماتریس‌های پلیمری بیان شد.
برای نخستین بار کلم و همکاران [1]، یک سلول خورشیدی لایه نازک نانوکریستالی از فاز محلول بر پایه کالکوژن‌های سرب ساختند. روش آنها از دو یافته قبلی درباره فیلم‌های نقاط کوانتومی از فاز محلول الهام گرفته بود. نخست اینکه فیلم‌های تهیه شده از تنها نقاط کوانتومی بدون هیچگونه ساختار ناهمگون و با اصلاح یا خارج نمودن لیگاندهای نارسانا، می‌توانند به تحرک بالاتر از 0/1 cm2/vs دست یابند. دوم اینکه، با توجه به بازده کوانتومی خارجی اندک قبلی، احتیاج به ساختاری که جذب را افزایش دهد و در این حال، بازده جدایی اکسایتونی را بالا نگه دارد، احساس می‌شد (شکل 2).
سلول تماماً نانوساختار آنها، از لایه رونشانی چرخشی شده نانوذرات اکسید ایندیم-قلع (ITO) روی زیر‌لایه شیشه‌ای و سپس رونشانی نانوکریستالی PbS تعویض لیگاند شده با بوتیل آمین بود. فیلم‌های PbS پس از هر بار رونشانی، توسط اتان دی تیول پرداخت می‌شد. مولکول‌های پیوند - عرضی اتان دی تیول برای پرداخت شیمیایی استفاده شدند. به طوری که وسایل ساخته شده بدون پرداخت اتان دی تیول، اتصال کوتاه تشکیل می‌دادند. تیول تمایل زیادی به اتم‌های سرب دارد و با آمین‌های موجود در سایت‌های پیوند-لیگاند جایگزین می‌شود. از طرفی اتان دی تیول به جا مانده پس از فرآیندهای متعدد روی وسیله با داشتن طول کوتاه (0/7 nm) انتقال بار را با مشکل مواجه نمی‌کنند. فیلم ITO به مدت ده دقیقه در محلول نانوذرات و سپس 30 دقیقه در محلول اتان دی تیول در استونیتریل فرو برده می‌شد و این کار سه بار تکرار شد. این روش به فیلم‌های همواری منجر می‌شد که اتصال کوتاه را از بین می‌برد. از طرفی پرداخت گرمایی سلول‌ها در هوا در دمای 15 درجه سانتی‌گراد به مدت 3 ساعت بازده سلول‌ها را افزایش داد به طوری که بهترین نمونه با استفاده از نانوذرات با گاف انرژی1340 nm ، بازده 0/5% و بازده مادون قرمز تک رنگ 3% را بدست دادند. این بازده مادون قرمز رشد 50% برابری را نسبت به سلول‌های فوتو ولتائیک مادون قرمز از فاز محلول قبلی، نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2. (a و (b بافت سطح (c و (d بافت سطح ITO پس از رونشانی نقاط کوانتومی بدون پیوند دهنده عرضی و (e و (f با پیوند دهنده عرضی (g منحنی جریان-ولتاژ (I-V) وسیله با نانوذرات با لبه جذب 1340 nm تحت تابش با شدت‌های مختلف (h بازده کوانتومی خارجی وسایل با دو اندازه نانوذره [1]

پس از هفت ماه از نگهداری سلول‌ها در محیط باز، اتصال‌های رونشانی شده فلزی اکسیده و عملکرد سلول را به طور قابل توجهی کاهش دادند. پس از رونشانی مجدد اتصال‌ها، این وسایل مجدداً شروع به کار کرده و بازدهی تقریباً نزدیک به بازده‌های قبلی از خود نشان دادند.
اولین گزارش‌ها در بکارگیری نقاط کوانتومی کلوئیدی PbS و PbSe در سلول‌های فوتوولتائیک، سلول‌های شاتکی بودند که نقاط کوانتومی بین یک رسانای شفاف و یک الکترود فلزی ساندویچ شده بودند. لایه‌های نقاط کوانتومی معمولا به صورت رونشانی چرخشی یا روش فرو بردن، رونشانی می‌شوند. در حقیقت، این روش‌ها که به لایه‌نشانی نقاط کوانتومی از فاز مایع آنها می‌پردازند، به دلیل بی نیاز بودن به خلا و دمای بالا و سادگی انجام، یکی از مهمترین مزیت‌ها برای این سلول‌ها به شمار می‌آیند. لوتر و همکاران [2]، با پرداخت شیمیایی لایه‌های نقاط کوانتومی با اتان دی تیول، توانستند لایه‌های نازک با رسانایی متوسط تولید کنند. نقاط کوانتومی با قطر 5 nm ابتدا به روش فرو بردن لایه به لایه، رونشانی شده و با فرو بردن لایه در محلول نقاط کوانتومی در هگزان و سپس درمحلول اتان دی تیول در استونیتریل، رونشانی شدند. این روش برای نقاط کوانتومی PbS و CdSe و با پرداخت شیمیایی با متیل آمین نیز به کار گرفته شد. تمام مراحل سنتز نقاط کوانتومی، تشکیل لایه نازک و تست سلول‌ها در محیط عاری از اکسیژن و با حضور گاز بی اثر صورت گرفت. آنها با شواهدی متعددی از جمله اندازه‌گیری‌های ولتاژ-ظرفیت و مقایسه ولتاژ مدار باز (Voc) حاصله با پیوندهای شاتکی (شکل 3)، نشان دادند که جمع‌آوری حامل‌های تولید شده با نور بر اساس سد است. این سلول بازده 2/1% را بدست داد. نور از طریق ITO وارد شده و خمش نواری در سطح میانی نانوکریستال‌ها و الکترود فلزی تبخیر گرمایی شده اتفاق می‌افتد و الکترون‌ها به سمت الکترود آلومینیوم و حفره‌ها به سمت ITO جدا سازی می‌شوند. اما وسیله پس از چند دقیقه در معرض هوا بودن از یک دیود به یک مقاومت 50 اهم تبدیل می‌شود. نویسندگان اعتقاد دارند که اکسید شدن سطحی فیلم نانوکریستالی که رسانایی فیلم را به سرعت افزایش می‌دهد مسبب این خرابی است. ولتاژ مدار باز کوچک و قرار داشتن پیوند شاتکی در پشت به جای جلو، از دیگر معایب این سلول بر شمرده شده است و استفاده از ساختار P-n یا P-i-n بعنوان راه حل پیشنهاد شده است.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3. (a عملکرد (b ساختار و دیاگرام شماتیکی وسیله. ولتاژ مدار باز بدست آمده بر حسب (c اندازه نانوذره و (d تابع کار اتصال فلزی [2]

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4. (a و (b و (c عملکرد وسیله بر اساس زمان نگهداری در محیط باز برای وسایل با اتصال فلزی مختلف و (d عملکرد وسیله تحت تاریکی و تابش [3]

تانگ و همکاران [3] اثر پایداری هوای سلول‌های شاتکی بر پایه نقاط کوانتومی PbS را با اتصال‌های فلزی مختلف بررسی کردند. آنها از PbS که حساسیت کمتری در هوا دارد استفاده کردند. وسایل کاملا در هوا ساخته و تست شدند و با پرداخت گرمایی در 90 درجه سانتی‌گراد به مدت 5 دقیقه تهیه شدند. این پرداخت به مقداری پیش اکسید شدن مواد، قبل از رونشانی اتصال فلزی منجر می‌گردد. لیگاندهای اولئات روی نانوکریستال‌های PbS پیش از رونشانی با اولئیل امین، تعویض لیگاند شده و فیلم نانوکریستالی با اتان دی تیول پرداخت شیمیایی شد.
با تعریف طول عمر یک سلول به صورت مدت دوام آن تا 80 % بازده اولیه آن، وسایل بر پایه آلومینیوم (Al) طول عمری تقریبا 4 ساعته داشتند. در حالی‌که وسایل بر پایه الکترود نقره (Ag) طول عمری 50 ساعته داشتند که رشد 12 برابری را نشان می‌دهد. نقره از آلومینیوم واکنش‌پذیری کمتری دارد و خراب شدن سلول را در اتصال شاتکی کاهش می‌دهد، اگر چه ولتاژ مدار باز کمتری را نتیجه می‌دهد. برای ترکیب پایداری نقره با بازده بالای آلومینیوم، آنها از ساندویچ نمودن یک لایه نازک میان فیلم نانوکریستالی و الکترود آلومینیوم استفاده نمودند. آنها دریافتند که لایه بسیار نازک 0/8 nm از فلوراید لیتیم (LiF) بهترین نتیجه را بدست می‌دهد در حالی که ضخامت‌های بزرگتر (2-3 nm) از فوتو جریان پایین رنج می‌برند. طول عمر این سلول 24 ساعت است. پس از 37 ساعت تست سلول درهوا، جریان مدار کوتاه افزایش می‌یابد و فاکتور انباشتن (FF) کاهش می‌یابد در حالی‌که ولتاژ مدار باز ثابت می‌ماند و این به افزایش 6% بازده سلول منجر می‌گردد و پس از آن بازده با افت مواجه می‌گردد. اندازه‌گیری‌های اپتوالکترونیکی وسیله حاکی است که در غیاب LiF، اکسیژن و رطوبت از سطح میانی نیمه‌رسانا/فلز نفوذ کرده و الکترود آلومینیوم را اکسیده می‌کند. بنابراین یکی از سطوح آسیب‌پذیر در سلول‌های نانوساختار، سطح فیلم نانوکریستالی فلز می‌باشد که با ورود لایه میانی LiF این آسیب پذیری کاهش یافته و بازده 2% بدست آمد (شکل 4).
دبنات و همکاران [4] لیگاندهای با پیوند ضعیف که در مرحله تعویض لیگاند استفاده می‌شوند را عامل دسترسی آسان هوا و آب به سطح بی دفاع نقاط کونتومی می‌دانند. آنها از یک لیگاند با پیوند بسیار قوی (TMPMDTC) استفاده نمودند زیرا:
این لیگاند کوچک و مزدوج می‌باشد.
گروه کربن دی تیول از طریق یک جفت پیوند قوی تیول به– فلز–کاتیون، به سطح نانوذره پیوند می‌خورد. تصاویر میکروسکوپ الکترون روبشی (TEM)، فاصله بین ذرات را از2/5 تا 1 نانومتر نشان می‌دادند (شکل 5).
گزارش‌های قبلی نشان دادند که در این شرایط تونل‌زنی بر انتقال، غلبه می‌یابد. با تهیه فیلم نانوکریستالی با ضخامت 230 nm و پرداخت با اتان دی تیول و سلول با ساختار ITO/PbS/QDs/liF/Al/Ag آنها به بازده چشمگیر 3/6% دست یافتند. همچنین سنجش ظرفیت – ولتاژ، چگالی آلایش حامل 4 × 1016 cm-3 و پهنای ناحیه تهی 220 nm را نشان دادند که کاهش 3 برابری در آلایش و افزایش 50% در پهنای ناحیه تهی می‌باشد. در بهترین حالت، همچنین آنها توانستند ولتاژ مدار بازی برابر 0/54 بدست آورند. وسایل کپسول نشده به مدت 0/5 ساعت در هوا پایدار بودند و عملکرد آنها پس از چندین ساعت به میزان 20% (طول عمر) کاهش یافت.
پاتانتیوس-آبراهام و همکاران [5] از دی اکسید تیتانیم (TiO2) به عنوان لایه نوع n در ساخت سلول‌های خورشید خورشیدی پیوند ناهمگون بر پایه نقاط کوانتومی PbS با اندازه‌های مختلف بهره بردند. سلول فوتوولتائیک ساخته شده توسط آنها توانست به بازده 5/1 % دست یابد. این وسیله بر پایه ایجاد یک ناحیه تهی برای انتقال و جداسازی در میدان حاصله و گاف انرژی بزرگ اکسید رسانای شفاف برای بهبود و ایجاد مانع در برابر استخراج حفره‌های ناخواسته می‌باشد. پس از رونشانی خمیر TiO2، نقاط کوانتومی PbS در هوا با ضخامت بهینه 200-250 nm رونشانی شده و  پرداخت شدند. سپس لایه طلا با ضخامت 15 nm روی این لایه تبخیر گرمایی شد. نویسندگان پایداری گرمایی سلول را حتی در دمای بالاتر از دمای جوش ماده پرداخت کننده مورد بررسی قرار دادند و شواهدی ارائه دادند مبنی بر پیوند مستحکم این ماده روی سطح PbS. دیگر پارامترهای سلول شامل جریان مدار کوتاه (Isc) و ولتاژ مدار باز و فاکتور انباشتن به ترتیب 16، 0/537 و 60% بودند (شکل 6).
تانگ و همکاران [6] در کار دیگری از خنثی سازی لیگاند – اتمی به جای اتان دی تیول در مرحله پرداخت شیمیایی فیلم‌های نانو کریستالی PbS استفاده نمودند. برای نخستین بار آنها از لیگاندهای غیرآلی کالکوژن‌های فلزی برای بهبود انتقال الکتریکی در فیلم‌های نانوکریستالی و همچنین خنثی سازی نقص‌های سطحی آنها استفاده نمودند. نقاط کوانتومی در دمای اتاق و در محیط باز رونشانی شدند. آنها از آنیون‌های هالوژنی تک ظرفیتی مانند -I و -Cl و -Br بهره گرفتند و توانستند به بازده بالای 6 % در سلول‌های با ساختار ITO/TiO2/PbS/CQDs/Au دست یابند.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5. (a مشخصه I-V سلول شاتکی (b طیف جذب نقاط کوانتومی PbS پیش و پس از تعویض لیگاند و (c نمایش شماتیکی خنثی‌سازی نقاط کوانتومی PbS [4]

filereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6
شکل 6. (a جهت‌مندی نوار انرژی TiO2 و PbS با اندازه‌های مختلف و (b نمودار I-V وسایل با بکارگیری سه اندازه از PbS [5]

علاقه‌مندان به مطالعه بیشتر در این‌باره می‌توانند به مقالات مروری نوشته شده توسط سارجنت [8-7] مراجعه نمایند.

3. نتیجه‌گیری
بدلیل قابلیت‌های ارائه شده توسط نقاط کوانتومی کلوئیدی نیمه‌رسانا به منظور تحول و توسعه سلول‌های فوتوولتائکی بازده بالا و کم هزینه، بخصوص خواص حبس کوانتومی و تولید چند اکسایتونی، انگیزه زیادی در محققان برانگیخته شده است. در این مجال ما سعی نموده‌ایم تا به خوانندگان دیدی کلی از تلاش‌های اخیر روی استفاده از نقاط کوانتومی کالکوژن‌های سرب به عنوان لایه فعال سلول‌های فوتوولتائیک ارائه دهیم. تلاش‌هایی که تاکنون بیشتر بر روی افزایش بازده و بهبود پایداری این سلول‌ها با ساختار شاتکی تمرکز داشته‌اند. روش‌های مختلفی برای بهبود عملکرد این سلول‌ها توسط گروه‌های تحقیقاتی در سراسر دنیا صورت گرفته‌اند که عبارتند از: استفاده از نقاط کوانتومی با اندازه کوچکتر (با قطر 3 نانومتر)، تعویض لیگاند (اکتیل آمین، بوتیل آمین و اولئیل آمین)، استفاده از اتصال فلزی پایدارتر از آلومینیوم مانند نقره یا ساندویچ نمودن یک لایه میانی خنثی مانند LiF میان لایه نانوکریستالی و اتصال فلزی، پرداخت گرمایی در هوا، پرداخت شیمیایی با اتان دی تیول و بوتان دی تیول و بهره‌گیری از ساختار پیوند ناهمگون p-n بجای سد شاتکی. همانگونه که در متن گزارش دیدیم پیشرفت‌های چشمگیری در جهت توسعه سلول‌های خورشیدی کارا بر پایه نقاط کوانتومی در این چند ساله اخیر حاصل شده‌اند. با این‌حال توسعه بیشتر این وسایل با چالش‌هایی نیز مواجه است که باید از پیش‌رو برداشته شوند. از جمله این مسایل ارائه روش‌های ساده‌تر و زیست‌سازگارتر برای سنتز نقاط کوانتومی کلوئیدی با کیفیت و با قابلیت باز تولید بودن است که از آغاز همراه آن بوده است و بی شک تا پایان نیز با آن خواهد بود. از دیگر چالش‌ها می‌توان به مسئله خنثی‌سازی سطح نقاط کوانتومی با لیگاندهای مناسب و افزایش نزدیکی نقاط کوانتومی اشاره کرد به گونه‌ای که نانوذرات علاوه بر حفظ اثرات حبس کوانتومی از انتقال الکتریکی مناسبی نیز برخوردار باشند. تحقیقات بعدی باید بتوانند بازده را به 10% برسانند تا این سلول‌ها بتوانند تجاری‌سازی شوند. برخی از زمینه‌های کاری که می‌توانند این مهم را عملی سازند عبارتند از: باز مهندسی لایه نازک نانوکریستالی در جهت افزایش انتقال الکتریکی، بهره‌گیری از ساختارهای دیگر نانویی مانند نانومیله‌ها و نانومکعب‌ها، استفاده از نقاط کوانتومی پوسته-هسته برای خنثی‌سازی بهتر سطح نانویی و استفاده از مواد دیگری به عنوان لایه نوع -n یا استفاده از ساختار n-i-p.

منابـــع و مراجــــع

1. Klem E.J.D., et al., Applied physics letters, 90 (18) 2007.

2. Luther J.M., et al., Nano letters, 8 (10) 2008.

3. Tang J., et al., Advanced Materials, 22 (12) 2010.

4. Debnath R., et al., Journal of the American Chemical Society, 132 (17) 2010.

5. Pattantyus-Abraham A.G., et al. ACS nano, 4 (6) 2010.

6. Tang J., et al., Nature materials, 10, 2011.

7. Debnath R. et al, energy environ. Sci. 4, 2011

8. Kramer I. J. et al, ACS nano, 5 (11), 2011