ورود به حساب ثبت نام جدید فراموشی کلمه عبور
برای ورود به حساب کاربری خود، نام کاربری و کلمه عبورتان را در زیر وارد کرده و روی “ ورود به حساب” کلیک کنید.





اگر فرم ثبت نام برای شما نمایش داده نمیشود، اینجا را کلیک کنید.









اگر فرم بازیابی کلمه عبور برای شما نمایش داده نمیشود، اینجا را کلیک کنید.





نمایش نتایج: از 1 به 6 از 6
  1. #1
    samane.metal
    مدیـــر بازنشسته
    تاریخ عضویت
    2013/12/03
    محل سکونت
    Tehr@n
    نوشته ها
    455
    195
    882

    New2 نانو و انرژی های نو

    معرفی باتریهای لیتیم-یون (Li-Ion Battery)




    توسعه وسایل الکترونیکی مانند گوشیهای تلفن همراه و لب تاپها تقاضا را برای باتریهای قابل شارژ افزایش داده است که در این میان باتریهای لیتیم-یون از دیگر انواع باتریها عملکرد و بازده مناسبتری را از خود نشان داده و بیشترین تولید را در میان دیگر انواع باتریها دارند. این باتریها مانند انواع دیگر باتریها از پیلهای الکتروشیمیایی با دو الکترود و ماده الکترولیت تشکیل شدهاند. در فرایند شارژ باتریهای لیتیمی، در الکترود مثبت لیتیم به یون لیتیم مثبت و در الکترود منفی یون لیتیم به لیتیم فلزی تبدیل شده و در بین لایههای الکترود قرار میگیرد. تحقیقات زیادی در جهت توسعه هر یک از الکترودها و الکترولیت در باتریهای لیتیم یون صورت گرفته است و با ورود نانومواد در این تحقیقات تحولات شگرفی در عملکرد این نوع باتریها به وجود آمده است. این سیر تکاملی با ساخت نانومواد جدید همچنان ادامه دارد. در این مقاله تلاش شده با زبانی ساده این نوع باتریها معرفی شده و مختصری در مورد استفاده از نانومواد در آنها توضیح داده شده است.



    1- مقدمه

    در عصر حاضر صنعت الکترونیک پیشرفت چشمگیری نموده است و به دلیل گسترش ارتباطات و فناوری اطلاعات وسایل الکترونیکی قابل حمل همچون گوشیهای تلفن همراه، لبتاپها و ... توسعه یافتهاند. تامین انرژی به صورت آسان و مطلوب برای توسعه این وسایل یک ضرورت مهم و انکارناپذیر است. این تا به حدی است که میتوان باتری را قلب وسایل الکترونیک قابل حمل دانست. همچنین امروزه به دلیل مشکلات ایجاد شده به دلیل آلودگی هوا شرکتهای بزرگ خودروسازی سالانه هزینههای زیادی را صرف ساخت خودروهای الکتریکی و هیبریدی مینمایند که از مهمترین چالشها در ساخت این خودروها تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز آنها میباشد. بهترین گزینه برای رفع این مهم استفاده از باتریهای قابل شارژ جهت ذخیرهسازی انرژی الکتریکی در این خودروها میباشد.
    با توجه به موارد ذکر شده در بالا تحقیقات وسیعی در زمینه باتریها قابل شارژ در مراکز تحقیقاتی دنیا صورت میپذیرد که باعث پیشرفت بسیار سریع باتریهای قابل شارژ در چند دهه اخیر شده است. در حال حاضر، باتریهای لیتیم-یون در نوک قله این پیشرفت قرار دارند؛ بهطوری که در اغلب وسایل الکترونیکی امروزی از باتریهای لیتیم-یون استفاده میشود و گروههای تحقیقاتی زیادی در سراسر دنیا در حال تحقیق جهت بهبود عملکرد این نوع باتریها هستند. شکل (1) نمونه ای از چند باتری لیتیمی ساخته شده در ابعاد مختلف جهت کاربردهای گوناگون را نمایش میدهد. ورود فناوری نانو به تحقیقات باتریهای لیتیم-یون باعث جهش در روند پیشرفت این باتریها گردیده و تحولات بارزی را در عملکرد آنها ایجاد نموده است. در این مقاله مختصری به توصیح عملکرد این باتریها پرداخته شده است.


    شکل 1- نمایی از چند باتری لیتیمی



    2- باتری های قابل شارژ

    اولین بار در سال 1786 گالوانی شیوه جدیدی برای تولید الکتریسیته به وسیله مواد شیمیایی کشف کرد که بعدها این پیلها به پیلهای گالوانی (Galvanic Cell) مشهور شدند. از سال 1800 به بعد پیشرفت زیادی در زمینه باتریها صورت گرفت اما اولین باتریهای قابل شارژ سرب اسید که امروزه نیز در خودروها از آنها استفاده میشود در سال 1859 ساخته شد. تحول بعدی در باتریهای قابل شارژ در سال 1960 با ساخت باتریهای نیکل-کادمیوم (Ni-Cd) رخ داد اما این باتریها نیز در سال 1990 جای خود را به باتریهای جدید نیکل-هیدرید فلز (Nickel-Metal Hydride) دادند. چرخه پیشرفت باتریهای قابل شارژ با اختراع اولین باتریهای لیتیم-یون در سال 1991 و باتریهای پلیمر-لیتیم یون در سال 1999 کامل گردید. در سال های اخیر با به کارگیری نانوذرات مختلف در این باتریها بازده آنها به مقدار قابل ملاحظهای افزایش یافته است. در ادامه عملکرد آن‏ها معرفی و بررسی شده است [1].

    3- معرفی باتریهای لیتیم-یون

    باتری وسیلهای است که انرژی شیمیایی را به طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. در واقع یک باتری شامل یک یا چند پیل ولتایی (Voltaic Cell) است که بر اثر واکنشهای شیمیایی اکسید و احیا مولد جریان الکتریسیته هستند. هر پیل ولتایی از دو الکترود تشکیل شده است که بین آنها با الکترولیت پر می شود. الکترولیت محلولی رسانا شامل یونها است. معمولا ترکیبات الکتروفعال درون الکترولیت حل می شوند که میتوانند با الکترودها واکنش شیمیایی بدهند و انرژی شیمیایی را با انتقال بار در سطح مشترک الکترود-الکترولیت به انرژی الکتریکی تبدیل کنند.
    ولتاژ خروجی یک باتری به طور مستقیم با ماهیت شیمیایی واکنش الکتروشیمیایی پیل در ارتباط است. به عنوان مثال در باتریهای سرب-اسید، واکنش شیمیایی هر پیل 2 ولت جریان را تولید مینماید. در باتریهای لیتیمی واکنش الکتروشیمیایی صورت گرفته ولتاژ تقریبی 3 ولت را تولید می نماید که تولید این ولتاژ یکی از ویژگیهای مهم این نوع باتریها است. بنابراین با بهره گیری از واکنش های لیتیمی میتوان با به کارگیری تعداد پیل کمتر به ولتاژ بالاتر دست یافت.

    4- اجزا باتریهای لیتیم-یون

    به طور کلی هر باتری از 3 بخش اصلی الکترود مثبت، الکترود منفی و الکترولیت تشکیل شده است. در باتریهای لیتیم-یون، الکترود مثبت یا کاتد از یک ترکیب لیتیم مانند لیتیم کبالت اکسید و الکترود منفی یا آند از کربن ساخته شده و یک لایه جدا کننده در بین آنها قرار دارد. نمایی از یک پیل باتری لیتیمی در شکل 2 نمایش داده شده است. الکترولیت در باتری های لیتیمی نیز از نمک لیتیم دریک حلال آلی ساخته شده است. استفاده از حلال آلی در نقش الکترولیت به دلیل اشتعال زا بودن نیازمند انجام پاره ای از اقدامات ایمنی است. اقدامات ایمنی و همچنین موارد دیگری که برای بهبود عملکرد باتری های لیتیمی به کار گرفته می شوند، مهندسی ساختار الکترولیت را بسیار پیچیده می نماید. الکترولیت در این باتری ها از مجموعه ای از مواد تشکیل شده که هر کدام وظیفه خاص خود را دارند. نقص در عملکرد هر یک از اجزای الکترولیت باعث نقص در عملکرد کل باتری میشود. در بخشهای بعد هر یک از این اجزا به طور کامل شرح داده میشوند [1].
    علاوه بر موارد بالا، باتریهای لیتیمی مجهز به مدارهای الکترونیکی محافظ و فیوزهای جهت جلوگیری از عکس شدن قطبیت، اعمال ولتاژ بیش از حد، گرم شدن بیش از حد و موارد ایمنی دیگر هستند.


    شکل2- نمای شماتیک از یک سل باتری لیتیم یون



    5- عملکرد باتریهای لیتیم یون

    با توجه به موارد ذکر شده در بالا اگر فرض کنیم که یک نمونه از باتری لیتیمی دارای الکترود مثبت لیتیم-کبالت اکسید و الکترود منفی گرافیتی باشد، در فرایند شارژ (Charging) در الکترود مثبت نیم واکنش:





    و در الکترود منفی نیم واکنش:



    رخ میدهد. در مجموع میتوان گفت که در فرایند شارژ، لیتیم فلزی موجود در ساختار الکترود مثبت به یون لیتیم تبدیل شده و یونهای لیتیم موجود در الکترولیت در بین لایههای کربن (گرافیت) ذخیره میشود. چنین فرآیند هایی که در کل شارژ باتری را باعث می شوند، نیازمند صرف انرژی (الکتریکی) هستند. در فرایند تخلیه شارژ (Discharging) عکس واکنشهای فوق صورت گرفته و انرژی الکتریکی ذخیره شده آزاد میشود. شکل 3 فرایند شارژ و تخلیه شارژ را نمایش می دهد [3،2].


    شکل 3- فرایند شارژ و تخلیه شارژ در باتری های لیتیمی



    6- الکترودهای باتری‏های لیتیم-یون
    6-1- الکترود مثبت


    الکترود های مورد استفاده در باتری های قابل شارژ باید دارای واکنش برگشتپذیر، هدایت الکتریکی بالا و واکنش الکتروشیمیایی سریع باشند. همچنین الکترودها باید ساختاری پایدار داشته و در چرخههای مختلف شارژ و تخلیه شارژ دستخوش تغییر نشوند.

    تحقیقات زیادی برای دستیابی به الکترودی با ویژگیهای مناسب انجام گرفته و گستره وسیعی از الکترودها طراحی و ساخته شده است. یکی از انواع الکترودهای مورد استفاده لیتیم-کبالت اکسید است. این نوع الکترود به صورت تجاری در دسترس است و باتریهای ساخته شده با این الکترود دارای ظرفیت مناسب (ظرفیت یک باتری مقداری از الکتریسیته است که باتری می تواند ذخیره کند)، انرژی و توان بالا و طول عمر نسبتا مناسب است.

    در ابتدا برای سنتز این ماده از ترکیب کردن اکسیدها و کربناتهای مناسب و سپس حرارت دادن تا دمای بالای 900 درجه سانتیگراد استفاده میشد. در نهایت مواد سنتز شده به یکدیگر سایید شده و پرس میشدند که باعث تولید الکترودهایی با ساختار غیریکنواخت میگردید. با پیشرفت روشهای جدید سنتز نانو مواد مانند سل-ژل (Sol-gel) الکترودهای جدید با ذرات همگن و یکنواخت ساخته شدهاند که عملکردی بسیار مطلوبتر دارند[4]. امروزه تحقیقات زیادی برای ساخت نانومواد جدید جهت استفاده در باتریهای لیتیمی در سراسر دنیا انجام میشود که هر روز باتریهایی با طول عمر بیشتر و بازده بالاتر تولید میشود. شکل 4- الف نمای کلی یک الکترود مثبت را نمایش می دهد.
    دسته دیگری از مواد که میتوانند نامزد استفاده به عنوان الکترود مثبت باتریهای لیتیم یون باشند، نانو لولهها و نانو سیمها در اندازههای مختلف هستند. به عنوان مثال نانو لوله اکسید وانادیوم (V2O5) و نانو سیمهایی که در بین ساختار لایهای خود پذیرنده لیتیم هستند از این دسته اند. ساختارهایی مانند نانو سیم LiCoO2 و Li(Ni1/2Mn1/2)O2 تهیه شده و به عنوان میزبان بین لایهای در الکترود مثبت باتریهای لیتیم یون مورد استفاده قرار گرفته است. این دسته از الکترودها قابلیت بسیار خوبی را از جمله افزایش بازده، افزایش قدرت و سرعت نسبت به مواد تودهای از خود نشان می دهند [4].




    شکل 4- نمای کلی الف) الکترود مثبت ، ب) الکترود منفی



    6-2- الکترود منفی

    ترکیبات کربنی میتواند ساختارهای متفاوت و در نتیجه خصوصیاتی متفاوت داشته باشند. گرافیت که یکی از متداولترین ساختارهای کربن است، دارای لایههای کربنی با هیبرید Sp2 میباشد. گرافیت دارای هدایت الکتریکی بالا در درون لایهها می باشد که به دلیل تحرک الکترونهای π (الکترون های غیر مستقر) می باشد. در مقابل هدایت الکتریکی گرافیت در بین لایهها کم می باشد. این ساختار ویژه کربن در گرافیت باعث می شود که لیتیم بتواند به راحتی در بین لایههای آن قرار گیرد و واکنش تبادل الکترون را انجام دهد. شکل 4- ب نمای کلی یک الکترود منفی را نمایش می دهد.


    7- الکترولیت و افزودنیها


    مهمترین تفاوت بین پیلهای معمولی و باتریهای لیتیم استفاده از حلالهای آلی بجای آب به عنوان پایه الکترولیت است. در باتریهای لیتیمی یون
    +Li ارتباط الکتریکی بین دو الکترود را بر قرار مینماید و در دو الکترود تبادل الکترون انجام میدهد. برای حصول پایداری و یکنواختی در خروجی باتری و همچنین برای محافظت الکترودها و عوامل دیگر، علاوه بر نمک لیتیم، مواد دیگری نیز به الکترولیت اضافه میشود. از این مواد تحت عنوان افزودنیها (Additive) یاد میشود. البته این مواد کمتر از 5 درصد از کل محلول الکترولیت را تشکیل میدهند اما همین مقدار کم نقش حیاتی در عملکرد باتری داشته و عدم وجود آنها موجب از کار افتادن سریع باتری میشود. الکترولیت مایع معمولا محلول استاندارد لیتیم هگزافلوئوروفسفات (LiPF6) در مخلوطی از آلکیل کربناتها (Alkyl Carbonates) مثل اتیلن کربنات، دی اتیل کربنات و ... میباشد.

    در باتریهای لیتیم-یون با الکترولیت مایع، لایه الکترولیت جامد (, SEI Solid Electrolyte Interface) در سطح مشترک الکترولیت و الکترود تشکیل می شود. در واقع بعد از ساخت پیل این لایه الکترولیتی جامد به طور خود بخود بر سطح الکترود تشکیل می شود. تشکیل یک لایه پایدار و مقاوم از اهمیت بالایی برخوردار است. تشکیل SEI با ساختاری نارسانا، ناپایدار و ... می تواند کارآیی باتری را تضعیف نماید. همچنین با مصرف برگشت ناپذیر یون های الکترولیت، طول عمر باتری را کاهش داده و باتری را غیرقابل شارژ می کند. استفاده از افزودنی ها، برگشت ناپذیری پیل را کاهش داده، از تشکیل گاز در مسیر تشکیل SEI ممانعت نموده و باعث طولانیتر شدن عمر باتری شوند. همچنین افزودنیها باعث بهبود پایداری دمایی LiPF6 در حلالهای آلی شده و از حل شدن مواد کاتد در مواقعی که باتری بیش از حد شارژ میشود محافظت مینمایند. برخی از افزودنیها خواص فیزیکی الکترولیت مثل هدایت یونی، ویسکوزیته، توانایی ترشدگی برای جداکنندههای پلیالفینی و ... را بهبود میدهند. برخی دیگر با کاهش آتشگیری الکترولیت آلی، ارتقا تحمل باتری در مقابل شارژ شدهگی بیش از حد (Overcharge) موجب امنیت بیشتر باتریها می شوند. در این حالت افزودنی باعث ختم عملکرد باتری در مواردی که از باتری به طور نامناسب استفاده میشود میگردد. این مواد به طور موثری باعث تشکیل SEI با ساختارهای بهبود یافته میشوند که تاثیرات مخرب کمتری بر عملکرد کل باتری می گذارد. بر این اساس افزودنیها را میتوان به طور کلی به 5 دسته تقسیم نمود که عبارتند از:

    1-بهبود دهندههای سطح SEI
    تحقیقات وسیع و گستردهای که با استفاده از روش های طیف سنجی مختلف صورت گرفته مشخص نموده است که SEI از تجزیه حلالها و نمکهای الکترولیت تولید میگردد. این اجزا شامل Li2CO3، لیتیم آلکیل کربنات، لیتیم آلکوکسید، بخشهای نمکی دیگر مثل LiF برای الکترولیتهای با پایه LiPF6 میباشند.
    اگر بخواهیم به طور ساده نحوه تشکیل SEI را توضیح دهیم به طور کلی دو مکانسیم برای کاهش الکتروشیمیایی حلالهای با پایه کربنات میتوان در نظر گرفت. به عنوان مثال برای حلال اتیلن کربنات مکانیسمهای پیشنهاد شده در شکل 5 میتواند رخ دهد.


    شکل 5- دو مکانیسم پشنهادی برای تشکیل SEI


    در اینجا RAنشان دهنده رادیکال آنیون(Radical Anion) است. هر دو مکانسیم در فرایند تشکیل SEI حضور داشته و در رقابت با یکدیگر میباشند. وقتی که فرایند یک بیشتر اتفاق افتد کاهش حلال آلی محصولات گازی بیشتری را تولید نموده (گاز اتیلن)، SEI تشکیل شده شامل مقادیر فراوان Li2CO3 بوده و ناپایدار میباشد. برعکس در مکانسیم دوم محصولات گازی کمتری ایجاد شده و تولیدات حاصل به طور مناسبی در الکترولیت نامحلول میباشند و در نتیجه تشکیل SEI پایدار و متراکم مینمایند. بنابراین در پیلهای لیتیم-یون مطلوب این است که مکانسیم دوم بیشتر رخ دهد زیرا تولید گاز در مکانسیم اول باعث کاهش پایداری و یکنواختی SEI میشود [5].
    این نوع از افزودنی ها در فرایند تشکیل SEI دخالت نموده و این فرایند را با مکانیسم دوم شرح داده شده در بالا (شکل 5) پیش می برند. تحقیقات زیادی بر روی عوامل موثر بر این دو مکانسیم انجام شده است که به عنوان یک نتیجه ریخت شناسی (Morphology) و شیمی سطح گرافیت و فعالیت کاتالیزوری آن بر مسیر مکانسیم بسیار موثر هستند. اثر کاتالیستی گرافیت به شدت به موقعیت گرافیت وابسته است و جنس SEI تشکیل شده را تغییر می¬دهد به طوری که SEI تشکیل شده در لبههای (Edges) یک گرافیت پیرولیتی (Pyrolitic Graphite) غنی از مواد معدنی است در حالی که SEI در قائده های صفحه ای (Basal Plane) غنی از مواد آلی می باشد. اصلاح سطح گرافیت با روش های مختلف فیزیکی و شیمیایی باعث بهبود پدیده کاتالیستی میشود. به عنوان مثال اکسیداسیون ملایم و پوشش فیزیکی بعضی مواد بر روی سطح گرافیت به طور موثری تشکیل SEI را تسهیل نموده و تولید گاز را در مراحل اولیه قرارگیری لیتیم در بین لایه های گرافیت کاهش می دهد.

    2- عوامل محافطت کننده کاتد
    زوال و کاهش بازده کاتد از نقطه نظر الکترولیت از دو فاکتور منشا می گیرد: اول وجود آب و ناخالصی های اسیدی و دوم اکسیداسیون برگشت ناپذیر حلال های الکترولیت. از آنجایی که میزان آب و ناخالصی های اسیدی (HF) در الکترولیت قبل از ساخت پیل به دقت کنترل میشود اساساً این ناخالصیها در طول فرایند شارژ و به ویژه در مواقع فراشارژ (Overcharging) تولید میشوند.

    یک مکانسیم پیشنهادی برای تولید آب این است که حلال به طور الکتروشیمیایی با اکسیژن آزاد شده از کاتد اکسید شده و تولید آب و CO2 مینماید. آب حاصل نیز موجب هیدرولیز LiPF6 به محصولات اسیدی مثل HF و POF3 میشود. از آنجایی که HF منبع اصلی انحلال مواد کاتد است، در سال های اخیر تلاش های زیادی در جهت گسترش افزودنی های تمیز کننده آب و اسید صورت گرفته است. از مواد قابل استفاده برای این منظور ترکیبات آلی با پایه آمین مانند بوتیل آمین برای جذب ناخالصی اسید می باشد. همچنین می توان از ترکیبات با پایه کربودی آمید مانند N,N دی سیکلوهگزیل کربودی آمید که با آب واکنش داده و از تولید اسید جلوگیری می کند نیز استفاده نمود.

    3- نمکهای پایدار کننده LiPF6
    ناپایداری گرمایی الکترولیت هایی که بر پایه LiPF6 هستند به دلیل دو فاکتور مهم میباشد: اولاً ثابت تعادل واکنش تولید PF5 بزرگ بوده (LiPF6
    ↔LiF+PF5) و ثانیاً واکنش پذیری PF5 حاصل با حلال های آلی بسیار بالا می¬باشد. بر این اساس PF5 قادر خواهد بود تا یک سری از واکنش ها را با اکثر اجزای SEI مثل Li2CO3 RCO2Li ,ROCO2Li انجام دهد. در این صورت حتی در غیاب آب و اسیدهای ناخالص دیگر می تواند پایداری سطح گرافیت را از بین ببرد.

    اولین تلاش ها برای حل کردن دو مشکل بالا انحلال کمتر از 0.05 درصد وزنی LiF درون الکترولیت با پایه LiPF6 بود که تولید گاز را کاهش میدهد. این بهبود بخشیدن را میتوان به ممانعت از واکنش تجزیهای به وسیله مقدار زیادی از LiF بر اساس اصل تعادلات شیمیایی نسبت داد (اصل لوشاتلیه- Le Chatelier's Principle). مشکل دوم یعنی واکنش پذیری بالای PF5 را با اضافه کردن مقادیر کم باز لوئیس می توان حل نمود. باز لوئیس ساختاری الکترون دهنده است که کمبود الکترونی PF5 (اسید لوئیس) را جبران نموده و واکنش پذیری آن را کاهش می دهد.

    4-عوامل محافظت کننده امنیت
    نگرانی امنیت مانع اصلی در بکارگیری باتریهای لیتیم یون هنگام استفاده در وسایل نقلیه و وسایل الکترونیکی است. این نگرانی از حضور الکترولیتهای مایع کاملا اشتعال پذیر در باتریها نشات است. بنابراین تحقیقات وسیعی بر روی افزودنیهای بازدارنده آتش انجام شده است. ترکیبات آلی فلورینه شده فسفات یکی از مهمترین بازدارندههای آتش در باتریهای لیتیم یون هستند که به دلیل وجود فسفر در ساختار با به دام اندازی رادیکال های ناشی از فرایندهای زنجیره ای احتراق مانع از گسترش احتراق می شوند.

    5-بهبود دهندههای رسوب Li

    این نوع افزودنیها برای بهبود بازده چرخهای لیتیم فلزی (تبدیلات متناوب لیتیم فلزی به یون در واکنش های بین کاتد و آند) در باتریهای قابل شارژ مورد استفاده قرار گرفتهاند. این نوع افزودنیها اهمیت زیادی در پیشرفت باتریهای با قدرت بالا دارند. در حقیقت کاهش قدرت باتریهای لیتیم مربوط به رسوب صفحات لیتیم در آند گرافیتی است. رشد نامطلوب این ساختارها در SEI در مواقع شارژ در زمانهای طولانی با جریان ثابت یا در سرعتهای بالا و دماهای پایین رخ میدهد.

    اصولا چرخه پذیری ضعیف لیتیم فلزی به دو فاکتور نسبت داده میشود: 1- واکنش پذیری بالای لیتیم با حلالهای الکترولیت 2- ریخت شناسی ضعیف لیتیم صفحهای شده مثل تشکیل دندریتهای سوزن مانند و لیتیم اسفنجی متخلخل. مورد اول به خواص ذاتی لیتیم مربوط است و بنابراین بیشتر تحقیقات در بخش دوم یعنی اصلاح مرفولوژی لیتیم تمرکز یافته است. یک ایده مناسب بر این است که یک لایه سطحی یون-هادی و یا یک لایه آلیاژی لیتیم-فلز تشکیل گردد تا رسوب یکنواخت لیتیم را تسهیل نماید.
    تحقیقات نشان داده است که غلظتهای پایین در حد ppm ترکیبات آلی مثل، پلی سولفیتها، SO2, CO2 در بهبود اثر چرخهی لیتیم موثر هستند. همچنین سورفاکتانت های (Surfactants) یونی و غیر یونی برای بهبود بازده چرخهای باتری های لیتیمی پیشنهاد میشود.

    8- تحولات الکترولیت ها
    الکترولیتها نیز دستخوش تحولات بسیاری شده و سیر تکاملی سریعی را طی نمودهاند. در ابتدا در ساختار باتریهای لیتیومی از الکترولیتهای مایع استفاده میشده که بعد با افزودن نانومواد به آنها عملکردشان بهبود داده شده است. در تحول بعدی از الکترولیتهای پلیمری استفاده شد و در مراحل بعد نیز، الکترولیتهای پلیمری با افزودن نانو مواد تکامل یافتند.
    در نگاه اول ممکن است شگفت انگیز به نظر برسد که چگونه نانو مواد میتوانند بر خواص متعارف الکترولیت های مایع مورد استفاده در باتریهای لیتیم یون تاثیر بگذارند. این در حالی است که شواهد و مدارک زیادی در بهبود عملکرد باتریها با استفاده از این مواد وجود دارد. به عنوان مثال اضافه کردن نانو پودرها از ترکیباتی مانند Al2O3، SiO2 و ZrO2 به الکترولیت غیرآبی میتواند هدایت الکتریکی را تا 6 برابر افزایش دهد. شکل6 نمودار افزایش هدایت الکترولیت را با اضافه کردن نانومواد نمایش می دهد.


    شکل 6-هدایت کامپوزیتهای مختلف بر اساس کسر حجمی (Φ) از اکسیدهای مختلف



    بحث در مورد هر یک از انواع الکترولیتها و افزودنیها بسیار وسیع است به طوری که هر کدام از آنها به عنوان یک زمینه تحقیقاتی قابل بررسی است. در اینجا تنها به معرفی پرداخته شده است و توضیح درباره ساختار و نحوه عملکرد هر سامانه به دلیل گستردگی و پیچیدگی بحث در مقالات بعدی ارائه میگردد [5].

    8- بحث و نتیجهگیری

    باتری های لیتیم-یون نقش اساسی در توسعه وسایل الکترونیکی قابل حمل دارند، بنابراین تحقیقات وسیعی برای توسعه آنها صورت گرفته است. این نوع از باتریهای قابل شارژ مانند دیگر انواع باتریها از پیلهای الکتروشیمیایی تشکیل شدهاند. هر پیل نیز به نوبه خود از دو الکترود تشکیل شده که به وسیله الکترولیت با یکدیگر ارتباط می گیرند. هر یک از اجزا دارای ساختار ویژه و منحصر به فرد میباشند. در این میان، نانو مواد تحولات شگرفی را در بازده و طول عمر باتریهای لیتیمی ایجاد نمودهاند. در این مقاله با رویکرد آموزشی به توضیح کلی در مورد هر یک از اجزا و عملکرد آن ها پرداختیم. در مقالات بعد، جزئیات هر بخش به طور کامل به همراه نقش نانو مواد در مسیر پیشرفت آنها بیان خواهد شد.












    منابـــــع :

    • 1. Wakihara, M., Recent developments in lithium ion batteries. Materials Science and Engineering: R: Reports,. 33(4): p. 109-134. 2001
    • 2. Huang, S., et al., Improvement of the high-rate discharge properties of LiCoO2 with the Ag additives. Journal of Power Sources, 148: p. 72-77, 2005.
    • 3. Lu, C.H. and P.Y. Yeh, Surfactant effects on the microstructure and electrochemical properties of emulsion-derived lithium cobalt oxide powders. Materials Science and Engineering B, 84(3): p. 243-24, 2001.
    • 4. Peng, Z., C. Wan, and C. Jiang, Synthesis by sol–gel process and characterization of LiCoO2 cathode materials. Journal of Power Sources, 72(2): p. 215-22, 1998.
    • 5. Zhang, S.S., A review on electrolyte additives for lithium-ion batteries. Journal of Power Sources, 162(2): p. 1379-139, 2006.
    خدایا!

    من اگر بد کنم تو را بنده ی دیگر بسیار است...

    تو اگر مدارا نکنی مرا خدای دیگر کجاست؟؟؟

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...][Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]
  2. 2
  3. #2
    samane.metal
    مدیـــر بازنشسته
    تاریخ عضویت
    2013/12/03
    محل سکونت
    Tehr@n
    نوشته ها
    455
    195
    882
    کاربرد نانومواد در ارتقای عملکرد الکترولیتهای باتریهای لیتیم یون





    ساخت باتری های لیتیمی تحول عظیمی در زمینه ذخیره انرژی الکتریکی ایجاد نمود و نقش این تحول در رشد و توسعه وسایل الکتریکی قابل حمل انکار ناپذیر است. به عبارت دیگر وسایل قابل حمل الکتریکی امروزی گسترش خود را مدیون باتری های لیتیمی هستند. باتری های لیتیمی ساختار و اجزا فوق پیشرفته ای دارند که عملکرد آن ها تحت تاثیر هر یک از این اجزا می باشد بطوری که هر نقص جزئی در هر یک ازاین موارد باعث اخلال در عملکرد باتری میشود. برای ساخت یک باتری با کیفیت باید نسبت به تمام اجزا آن شناخت کافی و دقیق داشت. همان طور که در مقاله پیشین بیان شد، هر باتری از دو الکترود و یک الکترولیت تشکیل شده است. در این مقاله تلاش شده است تا سیر تکاملی الکترولیت های (Electrolyte) باتری های لیتیمی به عنوان یکی از مهمترین اجزا در این وسیله مورد بررسی قرار گیرد.




    1- مقدمه، انواع الکترولیتها
    باتری های لیتیم یون به دلیل ساختار فوق پیشرفته ای که دارند دارای اجزا با پیچیدگی خاص خود می باشند که بررسی دقیق هر یک از این اجزا برای درک نحوه عملکرد و بهبود خواص آنها ضروری است. در یک نگاه اجمالی یک باتری لیتیم یون از دو الکترود (مثبت و منفی) و الکترولیت تشکیل شده است که بسته به نوع باتری هر یک از اجزا ساختار مخصوص به خود را دارند. بحث در مورد الکترود ها را به مقالات آینده موکول می کنیم و به بحث در مورد الکترولیت ها می پردازیم. به طور کلی الکترولیت قلب یک باتری محسوب میشود و در عملکرد آن نقش اساسی را ایفا مینماید. همان طور که در مقاله قبلی گفته شد، مهمترین تفاوت بین پیلهای معمولی و باتریهای لیتیم استفاده از حلالهای آلی بجای آب در نقش حلال الکترولیت است. در باتریهای لیتیمی یون
    +Li ارتباط الکتریکی بین دو الکترود را بر قرار مینماید و در دو الکترود تبادل الکترون انجام میدهد. الکترولیت هم مانند دیگر اجزای باتری های لیتیم یون سیر تکاملی خود را با سرعت نسبتا بالایی طی نموده و با پیشرفتهای جدید به طور کلی متحول گردیده است. در باتریهای لیتیمی اولیه از الکترولیتهای مایع استفاده میگردید و طی سالیان زیادی تحقیقات گستردهای برای بهبود و رفع مشکلات آن صورت گرفت تا اینکه نسل جدید الکترولیتها که شامل پلیمرهای بی شکل (Amorphous Polymers) بودند ساخته شد. تحقیقات بر روی الکترولیتهای پلیمری بی شکل جهت بهبود خواص و یافتن پلیمر مناسب منجر به ساخت الکترولیتهای پلیمرهای بلوری (Crystalline Polymers) گردید که در ادامه مختصری در مورد انواع این الکترولیتها توضیح داده می شود.

    2- الکترولیتهای مایع
    الکترولیت های مایع از حلال های آلی تشکیل شده اند که نمک های لیتیم در آن ها حل شده است. به عنوان مثال الکترولیتهایی با پایه LiPF6، عمدتا از لیتیم آلکیل کربنات، لیتیم آلکوکسید، بخشهای نمکی دیگر مثل LiF تشکیل شده اند. یکی از مشکلات عمده الکترولیت های مایع هدایت پایین و به عبارت دیگر مقاومت الکتریکی بالا به دلیل استفاده از حلالهای آلی است که بررسی های زیادی برای رفع این مشکل صورت گرفته است. یکی از بهترین عملکردها در استفاده از نانومواد در این الکترولیتها مشاهده گردیده است. در نگاه اول ممکن است شگفت انگیز به نظر برسد که چگونه نانو مواد میتوانند بر خواص متعارف الکترولیت مایع مورد استفاده در باتریهای لیتیم یون تاثیر بگذارند در حالی که شواهد و مدارک زیادی در بهبود عملکرد باتریها با استفاده از این مواد وجود دارد. اضافه کردن پودرها به ویژه در شکل نانوذره، از ترکیباتی مانند Al2O3، SiO2 و ZrO2 به الکترولیت غیرآبی میتواند هدایت را تا 6 برابر افزایش دهد شکل 1 هدایت کامپوزیت های مختلف بر اساس کسر حجمی از اکسیدهای مختلف را نمایش می دهد. آشکار است که در یک کسر وزنی بهینه هدایت افزایش یافته و بعد از آن دوباره کاهش می یابد.




    شکل 1- هدایت کامپوزیتهای مختلف بر اساس کسر حجمی () از اکسیدهای مختلف (قطر ذرات تقریباً 0.3 میکرومتر)

    بی شک برهمکنش های سطح مشترک الکترولیت مایع و ذرات جامد در استفاده از مواد با ندازه های متفاوت (نانومواد و مواد توده ای) بسیار متفاوت است. بار فضایی و تاثیرات دوقطبی (Dipole) که در سطح مشترک وجود دارد منجر به تغییر در تعادلات بین یون های آزاد و زوج یونها شده و بنابراین بر هدایت تاثیر میگذارد. به طور کلی چنین اثراتی با جذب ویژه (جذب شیمیایی) افزایش مییابد. به عنوان مثال آنیونها در سطح باعث تفکیک زوج یونها میشوند و حتی جابجایی و تحرک یون ها (Ion Mobility) نیز در سطح تحت تاثیر قرار میگیرد. با بزرگتر شدن نسبت سطح به حجم که در اثر کوچک شدن ذرات حاصل میشود، تاثیرات به ازای واحد جرم پودر ذره افزایش مییابد. تحقیقات نشان داده است که باید نسبت مناسبی از پور نانوذره مورد استفاده قرار گیرد تا تراوش و نفوذ از یک سطح به سطح دیگر اتفاق افتد و در واقع هدایت منطقهای زیاد شود و هدایت منطقهای منجر به افزایش هدایت محدوده وسیع در سراسر الکترولیت شود. به لحاظ مقدار پودر مورد استفاده و خواص مکانیکی حاصل بعد از اضافه کردن پودر نانوذره به این مواد "ماسهتر (Soggy Sands)" گفته میشود[1].



    3- الکترولیتهای پلیمری بی شکل (Amorphous Polymer Electrolytes) :


    پیشرفت در تکنولوژی باتریهای لیتیم یون با جایگزینی الکترولیتهای مایع متداول با الکترولیتهای پلیمری جامد (Solid Polymer Electrolytes - SPEs) بسیار متحول شد. تحقیقات زیادی بر روی پلیمرهای هادی یون لیتیم که برای این منظور ساخته شده بودند صورت گرفت و خواص آن مورد بررسی قرار داده شد تا پلیمری مناسب جهت استفاده به عنوان الکترولیت بدست آمد. اما بیشتر توجهات به الکترولیتهای پلیمری جامد با پایه پلی (اتیلن اکسید) (Polyethyelen Oxide-PEO-Based) معطوف است. این نوع از پلیمرها اغلب به عنوان الکترولیتهای پلیمر واقعی جامد محسوب میشوند زیرا شامل حلالهای پلاستیک کننده نیستند و زنجیره پلیمری آنها هم به عنوان ساختار و هم به عنوان عامل حل کننده حلال عمل مینماید. از برتریهای الکترولیت های پلیمری با پایه پلی اتیلن اکسید قیمت پایین، پایداری شیمیایی خوب و ایمنی بالا است اما هنوز مشکلاتی در مورد این مواد وجود دارد. از این می توان گفت که هدایت این پلیمرها نسبت به لیتیم تنها در دماهای بالاتر از 70 درجه بالاست و بعلاوه هدایت در این پلیمرها بیشتر به دلیل حرکت آنیونها است و تعداد لیتیم انتقال یافته توسط این پلیمرها پایین است که این امر موجب محدود در قدرت باتریهای لیتیم یون میشود.

    تلاشهای زیادی برای حل این مشکل به عمل آمده است که یکی از راهکارهای جالب که منجر به افزایش قابل توجهی در خواص انتقالی الکترولیتهای پلیمری جامد با پایه پلی اتیلن اکسید شد، استفاده از نانوذرات پرکننده سرامیکی مانند TiO2، Al2O3 و SiO2 درون ماتریس پلیمر است. اگرچه الکترولیتهای مایع و الکترولیتهای پلیمری جامد تفاوت اساسی دارند، اضافه کردن نانوذرات به الکترولیتهای پلیمری جامد تشابه آشکاری با اضافه کردن نانو ذرات به الکترولیت مایع وجود دارد. در واقع میتوان پلیمرهای آمورف را مایعات با گرانروی (Viscosity) بسیار بالا نامید. این مخلوط جدید الکترولیتهای پلیمری جامد و نانوذرات تحت عنوان الکترولیتهای پلیمری نانوکامپوزیتی (Nanocomposite Polymer Electrolytes, NCPEs) شناخته شدهاند.
    یکی از نقشهایی که برای پرکنندههای نانو متصور شده این است که این مواد با ممانعت از از بلوری شدن زنجیرههای پلیمری تحت بازپخت (Annealing) در دمای 70 درجه در پلیمر به عنوان نرم کننده مورد استفاده قرار میگیرند. این عمل باعث پایداری فاز آمورف در دمای پایینتر شده و بنابراین موجب افزایش گستره مفید هدایت الکترولیت میگردد. به علاوه پرکنندههای سرامیکی، انتقال تعداد یون لیتیم را با برهمکنش اسید و باز لوئیس (Lewis Acids and Bases) که بین سطح سرامیک و هر دو آنیون X از نمک و بخشهای زنجیره پلی اتیلن اکسید اتفاق میافتد افزایش میدهند.
    میزان افزایش هدایت توسط پرکنندههای سرامیکی بیشتر به نوع پرکننده و تا حدودی به سطح فعال آن وابسته است. این مطلب با نتایج به دست آمده از پرکنندههای سرامیکی سوپر اسید سولفات اکسیدزیرکونیوم (S-ZrO) ثابت شده است. اکسید زیرکونیم فرآوری شده یک اسید بسیار قوی است که با بیش از 2 عدد H2SO4 با کاتیون های
    +Zr4 غیراشباع کوردینه شده که توانایی الکترونگیرندگی بسیار قویای دارد.
    به علت این اسیدیته بالا، مواد سرامیکی کاندیدای مناسبی برای اضافه کردن به الکترولیتهای پلیمری آمورف جهت بهبود خواص میباشند. در واقع پخش کردن این مواد در الکترولیت معمول PEO-LiBF4 باعث ایجاد خواص منحصر به فرد در NCPE شده است. عدد انتقال (که بیانگر قابلیت جابجایی یون های لیتیم و هدایت بیشتر است)، TLi+، با روش کلاسیک Buce & Vincent تعیین شد که مقدار
    +TLi حاصل از روش 0.05±0.81 است که این مقدار تقریباً دو برابر بزرگتر از الکترولیت بدون سرامیک است.

    نکته مهم که باید مد نظر قرار داده شود این است که الکترولیتهای پلیمری باید تنها هادی کاتیون ها باشند و ماهیت حلال بودن آنها چندان تاثیری در عملکرد باتریها ندارد. بعلاوه آنیونها باید حداقل جابجایی را در درون حلال داشته باشند. این به آن معنی است که بخش عمده ای از رسانش در الکترولیت باید توسط کاتیون های لیتیم (و نه آنیون های همراه آن) صورت گیرد. تلاشهای زیادی در جهت کاهش و یا جلوگیری از تحرک آنیونها صورت گرفته است اما آنچه که در مقالات گذشته مشاهده شده، کاهش تحرک بسیار کم بوده و به طور عمومی با کاهش هدایت الکترولیت همراه بوده است. استفاده از نانوکامپوزیت به عنوان یک روش موثر شناخته شده که حتی پخش کردن مقدار کمی از پرکنندههای سرامیکی نانو تاثیر بسیار خوبی را بر هدایت الکترولیت میگذارد. این تاثیر در شکل 2 با مقایسه نمودار آرنیوس (Arrhenius) الکترولیت شامل پرکننده S-ZrO2 و الکترولیت یکسان بدون پرکننده نشان داده شده است. آشکار است که هدایت الکترولیت همراه با پرکننده در گستره دمایی مورد نظر بسیار بالاتر است[2].




    شکل 2- نمودار هدایت آرنیوس

    بهبود بازده باتریهای لیتیم یون شاخته شده از الکترولیت پلیمری محتوی نانوپرکننده در شکل 3 نمایش داده شده است. در این نمودار پیلهای محتوی الکترولیت PEO20LiClO4 همراه با نانوپرکننده و بدون نانوپرکننده مقایسه شده است. در این مقایسه به وضوح مشخص است که باتریهای بهینه شده نانوکامپوزیت پلی اتیلن اکسید ظرفیت چرخهای بالاتر، کاهش ظرفیت چرخهای پایینتر، افزایش تعداد چرخههای باتری و به طور جزئی پایداری بیشتر بازده شارژ و دشارژ را نمایش میدهند. به این نوع از الکترولیت ها الکترولیت های پلیمری پلی نیز گفته می شود[3].



    شکل 3- نمودار ظرفیت در مقابل تعداد چرخههای شارژ و دشارژ در حضور و عدم حضور نانو مواد


    4- الکترولیت پلیمرهای بلوری:

    مطالعات اخیر نشان داده است که نمکهایی مانند LiX که (X=P, As, Sb)، در پلیمرهای جامد مانند پلی (اتیلن اکسید) حل شده و تشکیل کمپلکسهای بلوری میدهند که توانایی هدایت یون های لیتیم را دارا میباشد. در ابتدا برای مدت 25 سال تصور میشد که الکترولیتهای پلیمری بلوری نارسانا هستند و هدایت تنها در پلیمرهای آمورف و در بالای دمای انتقال شیشهای (Glass Transition Temperature) رخ میدهد. چنین تصوری باعث شد که کمتر به این نوع الکترولیتها توجه شود و الکترولیت های شرح داده شده در بخش قبل گسترش یابند.
    کمپلکس های بلوری از 6 اتم اکسیژن اتری (Ether) به ازای هر اتم لیتیم ساخته شدهاند. به عنوان مثال پلی (اتیلن اکسید) :LiX )که (X=P, As, Sb دارای یک ساختار بلوری است که زنجیره پل (اتیلن اکسید) تشکیل تونلی را میدهد که یون های لیتیم میتوانند درون آن مهاجرت نمایند. شکل 4 ساختار شماتیک این نوع پلیمرها را نمایش می دهد. در این شکل یون های لیتیم با کره های کوچک آبی نمایش داده شده است.



    شکل 4- ساختار PEO6:LiAsF6

    استفاده از پلی اتیلن اکسید زنجیره کوتاه و در محدوده اندازه نانومواد جهت جلوگیری از گیر افتادن زنجیرههای پلیمری ضروری است. در واقع اگر از پلیمرهای در خارج از گستره نانو استفاده شود، زنجیرهها در هم گیر کرده و مانع از بلوری شدن مناسب میشوند. از دیگر برتریهای مشاهده شده در استفاده از نانو مواد، افزایش قابل توجهی در هدایت الکترولیت است. به طوری که کاهش طول زنجیرهها از متوسط با واحدهای 44 تایی اتیلن اکسید (جرم مولی تقریبا 2000 و متوسط طول زنجیره تقریبا 90A) به واحدهای 22 تایی اتیلن اکسید (جرم مولکولی 1000 و متوسط طول زنجیره 45A) هدایت در دمای اتاق را تا سه مرتبه بزرگی افزایش میدهد که این مطلب را به وضوح در شکل 5 میتوان مشاهده نمود. در شکل هدایت با نماد σ در شکل نمایش داده شده است.


    شکل 5- هدایت ایزوترم به عنوان تابعی از جرم مولکولی

    نه تنها کنترل طول متوسط زنجیره در محدوده نانو مواد مهم است، دیسپرسیتی میزان پخش بودن (Dispersity) نیز اهمیت خاص خود را دارد. طول زنجیرههای Polydisperse به طور طبیعی در مرحله انتشار در فرایند پلیمریزاسیون حاصل میشود. پلیمرها با زنجیرههای Polydisperse هدایت بالاتری را نسبت به مواد Monodisperse فراهم مینماند. در شکل 6 هدایت یونی کمپلکس های Monodisperse و Polydisperse نمایش داده شده است[4]. به این نوع الکترولیت ها الکترولیت های پلیمری نوع خشک نیز گفته می شود.


    شکل 6-هدایت یونی کمپلکس کریستالی PEO6-LiPF6منو-(مربع باز) و پلی دیسپرس PEO(دایره بسته)

    5- بحث و نتیجه گیری:

    از مهمترین بخش های باتری های لیتیم یون الکترولیت آن می باشد و تحقیقات زیادی جهت بهبود عملکرد آن انجام شده است. نسل اول باتری های لیتیم یون دارای الکترولیت های مایع بودند. الکترولیت های مایع علاوه بر نمک لیتیم و حلال شامل مجموعه ای مواد مختلف دیگر نیز بودند که هر کدام وظیفه خاص خود را به عهده دارند و تحت عنوان افزودنی های الکترولیت در بحث های قبلی توضیح داده شدند. با وجود اینکه الکترولیت های مایع عملکرد نسبتا مناسبی داشتند اما روند تحقیقات گسترده منجر به ساخت الکترولیت های پلیمری گردید که به نوبه خود دارای ویژگی های بهتری از جمله بازده بالاتر و تعداد چرخه بیشتر نسبت به الکترولیت های مایع بودند. از مهمترین برتری های باتری های پلیمری می توان به کاهش احتمال تراوش الکترولیت به بیرون، افزایش مقاومت در برابر آتشگیری و در نتیجه افزایش ایمنی نام برد. همچنین طراحی و ساخت باتری های پلیمری بسیار ساده تر از باتری های با الکترولیت مایع می باشد. از دیگری برتری های باتری های پلیمری کاهش تراوش مواد الکترود ها به درون الکترولیت به دلیل ضربه یا لرزش می باشد. در مجموع برتری های ذکر شده موجب گردیده نسل جدید باتری های لیتیمی تجاری تماما از نوع پلیمیری باشند. استفاده از نانومواد به عنوان پرکننده و یا فرایندهای تولید پلیمرهای نانویی موجب بهبود قابل ملاحضه ای در کارایی این ترکیبات شده است.











    منابـــــع :

    • 1. Bhattacharyya, A.J. and J. Maier, Second Phase Effects on the Conductivity of Non‐Aqueous Salt Solutions:“Soggy Sand Electrolytes”. Advanced Materials, 2004. 16(9‐10): p. 811-814.
    • 2. Croce, F., L. Settimi, and B. Scrosati, Superacid ZrO2 added, composite polymer electrolytes with improved transport properties. Electrochemistry Communications, 2006. 8(2): p. 364-368.
    • 3. Yoshio, M., R.J. Brodd, and A. Kozawa, Lithium-ion batteries: science and technologies2009: Springer.
    • 4. Bruce, P.G., B. Scrosati, and J.M. Tarascon, Nanomaterials for rechargeable lithium batteries. Angewandte Chemie International Edition, 2008. 47(16): p. 2930-2946.
    ویرایش توسط samane.metal : 2014/10/05 در ساعت 15:20
    خدایا!

    من اگر بد کنم تو را بنده ی دیگر بسیار است...

    تو اگر مدارا نکنی مرا خدای دیگر کجاست؟؟؟

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...][Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]
  4. 2
  5. #3
    samane.metal
    مدیـــر بازنشسته
    تاریخ عضویت
    2013/12/03
    محل سکونت
    Tehr@n
    نوشته ها
    455
    195
    882
    سلول های خورشیدی چگونه کار می کنند؟

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]

    انرژی ساطع شده از خورشید در زمان 1 ثانیه در صورتی که قابل ذخیره شدن باشد قادر خواهد بود انرژی مورد نیاز کره زمین را برای مدت هزار سال تامین نماید. سلول های خورشیدی قادرند از این منبع عظیم انرژی استفاده نمایند و یک منبع انرژی رایگان و پاک در اختیار ما قرار دهند.

    انرژی خورشید به دو صورت قابل استفاده می باشد، یکی انرژی حرارتی خورشیدی و یکی انرژی الکتریکی خورشیدی.

    در انرژی حرارتی خورشیدی، حرارت جذب شده از خورشید مورد استفاده قرار می گیرد و برای گرم کردن آب و یا بخار نمودن آب برای به حرکت درآوردن توربین بخار به کار گرفته می شود.

    در انرژی الکتریکی خورشیدی انرژی خورشید به صورت مستقیم توسط سلول خورشیدی (سلول فتوولتائیک) الکتریسیته تبدیل می شود.

    این تبدیل شدن با استفاده از دو لایه سیلیکون انجام می پذیرد. سیلیکون یک ماده شیمیایی می باشد که از ماسه به دست می آید. لایه زیرین که در شکل زیر با رنگ آبی نشان داده شده، از لحاظ شیمیایی به نحوی ساخته شده که کمبود الکترون داشته باشد. لایه رویی (قرمز رنگ) نیز به نحوی ساخته شده که الکترون زیادی داشته باشد. با تابش خورشیدی به این سلول ها، انرژی نور خورشید باعث می شود الکترون های لایه زیرین تحریک شوند و به لایه رویی ببرند و سپس با برگشت به لایه پایین جریان الکتریسیته ایجاد نمایند.

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]

    به شکل فوق دقت نمایید که مقطع و مکانیزم درونی یک سلول خورشیدی را نشان می دهد. نقطه 1 لایه شیشه ای محافظ سلول را نشان می دهد.
    نقطه 2 محل تابش نور خورشید به لایه زیری (آبی رنگ) و انرژی دادن به آن را نشان می دهد.
    در نقطه 3، الکترون های انرژی گیرنده تحریک می شوند و به لایه بالا منتقل می شوند.
    نقطه 4 صفحه متصل به لایه بالایی را نشان می دهد که الکترون ها را دریافت نموده و آن ها را به مدار خارجی منتقل می نماید.
    نقطه 5 جریان الکترون ها در مدار خارجی را نشان می دهد.
    نقطه 6 مصرف کننده انرژی الکتریکی را نشان می دهد.
    الکترون ها از نقطه 7 مجدداً به لایه پایینی راه پیدا می کنند.
    در شکل فوق نقطه 8 قطب مثبت و نقاط 9 و 10 نیز لایه های سیلیکون را نشان می دهند.
    پانل خورشیدی از بهم پیوستن چندین (100-36) سلول خورشیدی به هم ساخته می شود.

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]

    پانل های خورشیدی با اتصال به هم می توانند برق منازل را تامین نمایند. در این منازل انرژی خورشیدی در طول روز در باطری هایی ذخیره می شود و در طول شب قابل استفاده می گردد.






    مرکز یادگیری سایت تبیان، تهیه: پوریا میرعشقی
    تنظیم: نسرین صادقی
    خدایا!

    من اگر بد کنم تو را بنده ی دیگر بسیار است...

    تو اگر مدارا نکنی مرا خدای دیگر کجاست؟؟؟

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...][Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]
  6. 2
  7. #4
    samane.metal
    مدیـــر بازنشسته
    تاریخ عضویت
    2013/12/03
    محل سکونت
    Tehr@n
    نوشته ها
    455
    195
    882
    کره های توخالی TiO2

    یکی از بزرگترین چالش های محققان در زمینه ی سلول های خورشیدی، افزایش بازدهی این سلول ها می باشد. در واقع همواره به دنبال استفاده از موادی هستیم که تا حد زیادی بازده سلول را بالا ببریم، تا اینکه درصد بسیار زیادی از انرژی خورشیدی را به الکتریسته تبدیل کرده و هزینه های آن با انرژی حاصل از سوخت های فسیلی قابل مقایسه شود. در این میان نانوکره های توخالی TiO2 جز موادی هستند که به دلیل ویژگی های منحصربه فردی که دارند به نوعی بازده سلول ها را افزایش می دهند.

    همانطور که می دانیم ساختار یک سلول خورشیدی رنگدانه ای نوعی، مشابه شماتیک زیر است:



    الکترود کار شامل نانوذرات TiO2 با ابعاد کمتر از 20nm می باشد. این لایه معمولاً شفاف بوده و به هنگام ورود نور به داخل آن ها، درصد بسیار زیادی از نور از دست می رود. بنابراین بهره گیری از یک لایه ی پراکننده ی نور بر روی این لایه ی شفاف تا حدود زیادی مدیرت نور در سلول را افزایش می دهد. این امر نیز باعث افزایش بازدهی این سول ها می گردد.نانوکره های توخالی TiO2 دارای این ویژگی هستند که به هنگام ورود نور مرئی به داخل این ساختار پدیده ی انعکاس کلی در درون آن رخ می دهد و دوباره این نور ورودی به داخل لایه بازتاب می شود. در واقع همانند آینه عمل می کند. بنابراین نور از دست رفته دوباره به داخل سلول منعکس می شود و بازده افزایش می یابد چون نور اتلافی حذف شده است.




    همانطور که در شکل بالا مشاهده می کنید نحوه ورود و انعکاس نور در داخل این ساختار ها نشان داده شده است.این کره های توخالی TiO2 به روش های متفاوت و با استفاده از پیش ماده های TiO2 متفاوت تهیه می شوند. که ما توانستیم این کره های توخالی را در آزمایشگاه تهیه کرده با ابعاد متفاوت و به عنوان پراکننده ی نور در فوتوآند سلول های خورشیدی رنگدانه ای بهره گرفتیم.


    منبع:[Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]
    خدایا!

    من اگر بد کنم تو را بنده ی دیگر بسیار است...

    تو اگر مدارا نکنی مرا خدای دیگر کجاست؟؟؟

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...][Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]
  8. 3
  9. #5
    samane.metal
    مدیـــر بازنشسته
    تاریخ عضویت
    2013/12/03
    محل سکونت
    Tehr@n
    نوشته ها
    455
    195
    882
    سلول های خورشیدی پلیمری



    پلیمرهای مزدوج (Conjugated Polymers) اخیرا به دلیل قابلیت های کاربردیشان در ابزارهای الکترونیکی انعطاف پذیر از قبیل دیودهای نشر نور (LEDs) ، سلول های خورشیدی پلیمری و ترانزیستور های لایه نازک آلی و همچنین فراوری در محلول و قیمت ارزان آنها مورد توجه ویژه قرارگرفته اند. ضخامت لایه فعال در سلول های خورشیدی آلی پلیمری 100nm می باشد که این مقدار تقریبا 1000 مرتبه نازکتر از سلول های خورشیدی سیلیکون کریستالی و 10 مرتبه نازک تر از فیلم های معدنی است. با این حال این نوع از سلول های خورشیدی در مقایسه با سلول های معدنی کارایی 2 تا3 مرتبه کمتری را دارا می باشد. به همین دلیل ، جهت افزایش و بهبود قابلیت این سلول های پلیمری تاکنون مواد نیمه هادی بسیاری تهیه شده اند اما دانشمندان برای ساخت ماده ی ایده آل در این زمینه تلاش گسترده ای را دنبال می کنند.

    1- مقدمه
    در منابع مختلف انواع گوناگونی از تقسیم بندی ها در زمینه سلولهای خورشیدی دیده میشود. سلولهای خورشیدی را از نظر فناوری ساخت می توان به سه دسته تقسیم کرد، که سلو لهای خورشیدی آلی یکی از این موارد است [1]. دراین قسمت سلولهای خورشیدی برپایه مواد آلی که جز نسل سوم سلولهای خورشیدی هستند مورد بررسی قرار می گیرد.
    1-1- سلولهای خورشیدی بر پایه نیمه رساناهای آلی
    جدیدترین گروه سلولهای خورشیدی شامل ملکولهای کوچک، اجزاء پلیمری و هیبرید آلی /معدنی می باشند. با وجود مقدار کارایی کم بدست آمده (% 5.15 = ηe)( ηe: Energy Conversion Efficiency) و مشکلات پایداری ، این نوع از سلولهای خورشیدی مزیتهای متعددی از قبیل فراوری آسان، انعطاف پذیری، سبک وزنی و هزینه ساخت کم را دارا می باشند[2].
    1-2- نمونه هایی از سلولهای خورشیدی مبتنی بر مواد آلی
    انواعی از سلولهای خورشیدی مبتنی بر مواد آلی شامل:
    • سلولهای خورشیدی حساس شده با رنگ
    • سلولهای خورشیدی پلیمری
    • سلولهای خورشیدی مبتنی بر بلورهای های مایع (Liquid Crystals) می باشند (شکل1).




    شکل1- (الف)شمای سلول خورشیدی حساس شده با رنگ، (ب) ساختار ایده آل ابزار خورشیدی پایه بلور مایع

    1-2-1 – سلول های خورشیدی پلیمری
    از ویژگی های بارز سلول های خورشیدی می توان به مواردی مانند: هزینه کم، وزن سبک و ساخت راحت اشاره نمود. اما آنچه بر اهمیت آنها می افزاید، قابلیت حل شدن مواد مورد استفاده در حلالهای آلی می باشد که تهیه سلولهای خورشیدی انعطاف پذیری را امکان پذیر می سازد.

    1-3- مقایسه سلول های فتوولتاییک آلی و معدنی
    فن آوری فتوولتاییک باید پایدار ،کارا و کم هزینه باشد. فتوولتاییک سیلیکون بلوری خیلی پایدار وطول عمر موثر تخمینی بالغ بر 25 سال و کارایی تبدیل انرژی 20% را دارد. با این حال فتوولتاییک پلیمری در این زمینه ارزش و قابلیت خود را در مقایسه با سلول‏های سیلیکونی به خوبی نشان داده و در جایی که فن‏آوری فتوولتاییک معدنی عملکرد موفقی به همراه نداشته است (مانند: هزینه، سازگاری با محیط زیست و تهیه‏ی سخت) به عنوان فن آوری مکمل مناسب برای سلول های خورشیدی سیلیکونی مورد استفاده قرار می‏گیرد. این در حالی است که سلول های فتوولتاییک آلی پایداری و بازده کمی را از خود نشان می‏دهند(جدول 1) [3].

    جدول1- مقایسه سلولهای فتوولتاییک آلی و معدنی[3]



    2- اجزای سلول های خورشیدی آلی
    اجزاء معمول تشکیل دهنده سلول های خورشیدی آلی درشکل زیر آمده است (شکل2) :
    1) شیشه
    2) ماده شفاف رسانا مثل (Indium-Tin Oxide, ITO)
    3) پلیمر شفاف هادی مثل PEDOT:PSS
    4) لایه فعال
    5) لایه متصل کننده
    6) فلز




    شکل 2- اجزای سلول های خورشیدی آلی [4]

    پلیمرهای مزدوج زیادی به عنوان ماده فعال برای سلول های خورشیدی مورد امتحان قرار گرفتند.اما رایج ترین پلیمرهای مزدوج آلی عبارتند از:پلی (3- هگزیل تیوفن) (P3HT) ، پلی‏( ۳-متوکسی- ۵- (2-اتیل‏هگزیل اکسی)-1و4-فنیلن وینیلن) (MEH-PPV) و پلی‏(2-متوکسی-۵-‏(3و7- دی متیل اکتیل اکسی)-1و4 فنیلن وینیلن) (MDMO-PPV) که دارای یک هسته پلی فنیلن وینیلن (PPV) مزدوج هستند (شکل3). PPV به تنهایی ماده نامحلولی است و افزایش گروه های آلکیل یا آلکوکسی روی حلقه فنیلن در MDMO-PPV وMEH-PPV این مواد را فرایند پذیر و محلول در بعضی از حلال های آلی از قبیل کلروفرم،کلروبنزن یا ۱و ۲-دی کلروبنزن می کند[3].



    شکل3- پلیمرهای مزدوج رایج به کار رفته در سلول های خورشیدی

    مواد پلی تیوفنی دیگر که به طور وسیعی در سلول های خورشیدی آلی استفاده می شوند شامل PEDOT:PSS یا پلی ( ۳و ۴-اتیلن اکسی تیوفن) (پلی استیرن سولفونات) است. یک لایه نازک از PEDOT:PSS معمولا به عنوان مواد هادی حفره به طور مستقیم بالای الکترود( Indium Tin Oxide, ITO) به کار برده می شود[3]. نمونه‏هایی از پلی تیوفن ها که در سلول های خورشیدی استفاده می شوند در شکل 4 نمایش داده شده است.



    شکل4-مواد پلی تیوفنی به کار رفته در سلول های خورشیدی

    2-1 -پلیمرهای هادی
    ایده استفاده از پلیمرها به جهت خواص رسانایی الکتریکی شان در سال ۱۹۷۷ با یافته هیگر( Hegger) ، مک دی آرمید (Mcdiarmid) و شیراکاوا (Shirakawa) با کشف اینکه پلی استیلن ترانس دوپه شده (Dopped (دوپانت ‏ها ی اکسیداسیونی پذیرنده الکترون یا دهنده الکترون هستند که به پلیمر افزوده شده و باعث رسانا شدن آنها می شوند) ، رسانایی فلزی از خود نشان می دهد پدیدار شد[5]. از آن موقع به بعد پلیمرهای رسانا به عنوان مواد جدیدی که خواص الکتریکی فلزات یا نیمه رساناها را با حفظ کردن خواص سودمند پلیمر نشان میدهند معرفی شدند(شکل5).


    شکل5- نمونه هایی از نیمه رساناهای آلی استفاده شده در سلولهای خورشیدی پلیمری[14]

    مطالعات اخیر مشخص کرد که بزرگی گاف انرژی و موقعیت لبه های نوار رسانش و والانس فاکتورهای مهمی در کنترل خواص رسانایی پلیمر دارد.
    2-1-1- تئوری نوار (Band theory)
    پلیمرهای رسانا از نظرمیزان رسانایی شان در دسته نیمه رساناها قرار میگیرند. بر طبق تئوری نوار، یک فلز دارای گاف انرژی صفر است چون نوار رسانش و ظرفیت با هم همپوشانی کرده و یک نوار تشکیل میدهند و حرکت حاملهای بار (الکترونها) به طور آزادانه در نوارهای جزئی پرشده منجر به رسانایی فلز می شود. از سوی دیگر انتقال الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش به خاطر گاف انرژی بالا، برای عایقها امکان پذیر نمی باشد. در یک نیمه رسانا یک نوار ظرفیت پر شده و یک نوار رسانش خالی بوسیله گاف انرژی از هم جدا می شوند که در آنجا سطوح انرژی وجود ندارند. نوار رسانش نیمه رساناها به میزان کمی بوسیله الکترونهای تحریک شده از طریق گرمایی یا فتو شیمیایی در دمای محیط اشغال می شود و این برانگیختگی حاملهای بار، برای جریان بار الکتریکی در نیمه رساناها دردسترس خواهد بود(شکل6)[5].




    شکل6- مقایسه گاف انرژی بین عایق ها ، نیمه رساناها و فلزات [6]

    2-1-2- پلیمرهای گاف کوچک
    گاف انرژی پلیمر(Eg ) که تفاوت انرژی بین( LUMO=Lowest Unoccupied Molecular Orbital) و ( Highest Occupied Molecular Orbital HOMO ) است توسط عوامل متفاوتی کنترل می شود. پلیمرهای با گاف کوچک ، پلیمرهایی تعریف می شوند که جذب نور با طول موج بالای
    600nm را داشته باشند. پلیمرهای تجاری استفاده شده در فتوولتاییک آلی از قبیل MEH-PPV دارای جذبی است که تا طول موج 550nm قابل گسترش است و P3HT که به طور معمول استفاده می شود دارای جذبی است که تا 650nm گسترش می یابد. اگر از یک پلیمر با گاف انرژی پایین استفاده شود این عدم تطابق طیفی تقلیل می یابد که نشان از همپوشانی بهتر با طیف نشری خورشید دارد. به منظور بدست آوردن سلول خورشیدی با کارایی بالا یافتن مواد دهنده که محدوده جذب نوری و همپوشانی بهتر با نور خورشید دارند(دارای گاف انرژی پایین)ضروری می باشد. گاف انرژی می تواند عملا برای تعیین انرژی که می توان از سلول بدست آورد استفاده شود[3].

    2-1-3- طراحی پلیمرهای با گاف انرژی کوچک
    همانطورکه گفته شد فاکتورهای متعددی روی گاف انرژی پلیمرها موثر است برای مثال : طول مزدوج شدگی، تناوب طول پیوند، انتقال بار درون زنجیری، برهمکنش های بین مولکولی ، آروماتیسیته (Aromaticity) و استخلافها. یک ادغام از بخشهای غنی از الکترون (دهنده) و دارای کمبود الکترون (گیرنده) در زنجیر پلیمر، روش خیلی موفق جهت سنتز پلیمرهای با گاف انرژی پایین می باشد. این تناوب در زنجیر اصلی پلیمر منجر به انتقال بار درون ملکولی( ICT= Intra Molecular Charge Transport) از دهنده به گیرنده شده ونوار جذبی در انرژی کمتر را منجر می شود. منطق پشت مفهوم دهنده- گیرنده-دهنده این است که HOMO بالای دهنده و LUMO پایین گیرنده در پلیمر حاصل، ادغام می شوند و بنابراین در ساختار الکترونیکی پلیمر خصلت پیوند دوگانه افزایش و منجر به گسترش نوارهای رسانش و هدایت و القاء گاف انرژی پایین می شوند[6].

    3- رسانایی در مواد آلی π - مزدوج
    مکانیسم رسانایی در پلیمرهای مزدوج بر پایه وجود حاملهای بار مثبت یا منفی وحرکت این حاملهای بار در طول زنجیر اصلی زنجیر پلیمر است. حاملهای بار مثبت یا منفی از طریق فرایند اکسیداسیون یا کاهش در زنجیر اصلی پلیمرایجاد می شوند.
    4- مواد گیرنده – (ACCEPTOR)
    گیرنده یا پذیرنده های الکترون(Acceptors) می توانند پلیمر یا مولکولی کوچک باشند (شکل7). موادگیرنده الکترون با الکترونخواهی بالا (Electron Affinity) و شامل C60 ومشتقات محلول آن می باشند. فولرنها به دلیل الکترونخواهی بالا و توانایی انتقال کارای بار،گیرنده های پرکاربردی هستند و در واقع بهترین گیرنده های الکترونی که تاکنون شناخته شده اند می باشند. مشتقات فولرن با حلالیت خوب برای این منظور استفاده می شوند و PCBM یک مشتق متانوفولرن با حلالیت بالاست ((۶و۶)- ( فنیل-C61- بوتریک اسید متیل استر). همچنین قابل ذکر است که افزایش گیرنده گی الکترون در فولرن، بهبودی بیشتری را در کارایی ابزار حاصل می کند.




    شکل7- تعدادی از گیرنده های رایج (الف)گیرنده پلیمری (ب)گیرنده مولکولی کوچک[7]

    5- انواع معماری ها (اتصالات) در سلول های خورشیدی آلی
    5- 1 سلول های فتوولتاییک آلی تک لایه
    سلول های فتوولتاییک تک لایه ساده ترین صورت را در بین سلول های فتوولتاییک مختلف دارند. این سلول ها با ساندویچ کردن یک لایه از مواد فتوالکترونیکی آلی بین دو رسانای فلزی که معمولا یک لایه از ایندیم قلع اکسید (ITO) با تابع کار بالا با یک لایه از فلزات با تابع کار پایین مانند Ca ،Mg،Al است ساخته میشوند (شکل8). تفاوت تابع کار بین دو رسانا، یک میدان الکتریکی را در لایه آلی راه اندازی میکند. موقعی که یک لایه آلی، نور را جذب میکند الکترونها به اوربیتال LUMO برانگیخته شده، و تشکیل اکسایتون (Exciton) -(مترادف حفره-الکترون) می کنند. میدان الکتریکی مسئول جدایی پیوندهای الکتروستاتیک اکسایتونها بوده که منجربه کشیدن الکترون به سمت الکترود مثبت و حفره ها به سمت الکترود منفی میشودکه جریان و ولتاژ حاصل شده از این فرایند می تواند جهت انجام کار استفاده شود[8].

    5- 2 -سلولهای فتوولتاییک آلی دولایه
    این نوع از سلولهای خورشیدی فتوولتاییک شامل دو لایه متفاوت بین الکترودهای هادی می باشند (شکل8). این دو لایه از مواد دارای الکترونخواهی و انرژی یونیزاسیون متفاوت میباشند و بنابرین نیروی الکتروستاتیکی در سطح مشترک بین دو لایه ایجاد میشود و بنابراین این میدانهای الکتریکی محلی هر چه بزرگتر باشند امکان گسست اکسایتونها را نسبت به سلولهای فتوولتاییک تک لایه فراهم میکنند. لایه با الکترونخواهی و پتانسیل یونیزاسیون بالا به عنوان گیرنده الکترون و لایه دیگر دهنده الکترون میباشد. این ساختار به اتصالات نامتقارن دهنده- گیرنده مسطح نیز معروف است. یک لایه پلیمری، به ضخامت حد اقل
    100nm جهت جذب نور کافی نیازمند است ودر چنین ضخامت بزرگی فقط بخش کمی از اکسیتونها میتوانند به سطح مشترک دو لایه برسند[9]. برای رفع این مشکل نوع جدیدی از سلولهای فتوولتاییک با اتصالات نامتقارن طراحی شدند که به سلولهای فتوولتاییک با اتصالات نامتقارن پخش شده (توده) موسومند.

    5- 3 -سلولهای فتوولتاییک با اتصالات ناهمگن توده‏ای
    در این نوع سلولها، الکترون گیرنده و الکترون دهنده با هم مخلوط شده وتشکیل یک آلیاژ میدهند(شکل8). اگر اندازه طول جدایی فاز مشابه طول نفوذ اکسایتون(
    100nm) باشد بیشترین مقدار اکسایتون های تولید شده امکان رسیدن به سطح مشترک را دارند که به این ترتیب اکسایتونها به طورکارایی گسست مییابند والکترونها به طرف ناحیه گیرنده الکترون حرکت کرده و سپس در الکترود مربوطه انباشته میشوند و حفره ها در مسیر مخالف کشیده شده و در الکترود مقابل جمع میشوند. این نوع پیکربندی باعث افزایش مساحت بین سطحی فاز دهنده و گیرنده و در نتیجه منجر به بهبود کارایی سلول فتوولتاییک میشود[10].







    شکل8- (الف)اجزاءتشکیل دهنده سلولهای خورشیدی (ب)دو لایه ای (ج)اتصالات ناهمگن توده ‏ای [7]

    6- انواع سلول های خورشیدی بر پایه لایه های با اتصالات ناهمگن

    1-6- سلول های خورشیدی بر پایه پلیمر/ PCBM
    یکی از روش های بدست آوردن جدایی کارای بار در جاذب نور پلیمری، مخلوط کردن آنها با گیرنده های مناسب است. یکی از امید بخش ترین وکاراترین ابزارها که بیشترین مطالعات تاکنون روی آن صورت گرفته برپایه روش اتصالات ناهمگن توده‏ای ، آمیزه‏های مواد کامپوزیت پلیمر/ فولرین است که در آن نیمه رساناهای پلیمری به عنوان دهنده و فولرن (مشتقات C60) به عنوان گیرنده می‏باشند و در آن ملکول‏های فولرن در یک پلیمر با یک حلال واسطه پخش می‏شود و به تبادل الکترون برای تولید الکتریسیته می پردازند. سپس فیلم فعال نوری نازک بین دو الکترود با تابع کارهای نامساوی قرار می گیرد. همانطور که گفته شد اتصالات ناهمگن توده‏ای پلیمرمزدوج-PCBM در حال حاضر بهترین سلول PV بر پایه پلیمرمزدوج می باشد(شکل9)[11].




    شکل9- پلیمرمزدوج-PCBM

    2-6- سلول های خورشیدی برمبنای پلیمر/پلیمر
    سلول های خورشیدی با اتصالات ناهمگن توده‏ای، پلیمر/ پلیمر دارای بازده های به طور قابل ملاحظه کم هستند و کمتر مورد توجه قرار گرفته شده اند، اگرچه پتانسیل کاربری در سیستم های فتوولتاییک بزرگ مقیاس وارزان را دارند. اتصالات ناهمگن توده‏ای دو پلیمر مزدوج دارای مزیت های متعددی است. در یک مخلوط پلیمر مزدوج هر دو جزء ضریب جذب نوری بالایی را نشان می دهند و بخشهای مکمل طیف خورشیدی را پوشش می دهند وبه طور نسبی تنظیم و سازگار کردن وبهینه سازی هر کدام از اجزاءآسان است (شکل10) [11].



    شکل10-ساختار پلیمرهای آلی به کار رفته در سلول های خورشیدی

    3-6- سلولهای خورشیدی بر پایه پلیمرهای دهنده- گیرنده (دو کابلی)
    اتصال شیمیایی بخش های گیرنده الکترون به طور مستقیم به زنجیره اصلی پلیمر دهنده از جدایی فاز جلوگیری می کند (شکل11). الکترون هایی که بوسیله انتقالات تحریک شده ایجاد می شوند بوسیله جهیدن بین بخشهای گیرنده آویزان، انتقال یافته و به حفره باقیمانده در زنجیره پلیمر اجازه انتقال بار مثبت را می دهند[11].



    شکل11- شماتیک پلیمرهای دوکابلی[15].

    کارایی چنین ابزارهایی کم است و این احتمالا بدلیل بازترکیبی سریع یا انتقال بار بین زنجیری غیر کارای آن باشد.

    4-6- سلولهای خورشیدی هیبریدی
    یک سلول خورشیدی هیبریدی شامل ادغام دو ماده نیمه رسانای آلی و معدنی است. در واقع ادغامی از خواص منحصر به فرد نیمه رساناهای معدنی با خواص فیلم ساختی پلیمرهای مزدوج می باشد که شامل مواد آلی یا پلیمرهای مزدوج که نور را جذب و به عنوان الکترون دهنده وانتقال دهنده حفره عمل میکنند و مواد معدنی که در این نوع سلولها به عنوان الکترون گیرنده و انتقال دهنده الکترون ها استفاده می شوند. راهکار موثر برای ساخت سلولهای خورشیدی هیبریدی استفاده از مخلوط هایی از نانو ذره ها با پلیمرهای نیمه رسانا به صورت اتصالات ناهمگن توده‏ای است[11].

    7- نحوه عملکرد سلول های خورشیدی پلیمری
    فرایند تبدیل نور به الکتریسیته بوسیله سلول خورشیدی آلی به طور شماتیک به صورت مراحل زیر توصیف می شود:
    1) جذب فتون(Photon)که منجر به یک حالت نور تحریکی می شود
    2) تولید یک جفت حفره -الکترون (اکسایتون)
    3) جدایی بار با نفوذ اکسایتون به ناحیه هایی که در آنجا تفکیک می شود
    4) انتقال بار از درون نیمه هادی به الکترودهای مربوطه (شکل12) [12].
    به دلیل گاف انرژی بالا در موادآلی فقط بخش کوچکی از نور خورشیدی تابش شده جذب می شود. طول نفوذ اکسایتون باید از نظر بزرگی هم اندازه با طول جدایی فاز دهنده- گیرنده باشد. در غیر این صورت متلاشی شدن اکسایتونها از طریق مسیرهای تابشی یا غیر تابشی قبل از رسیدن به سطح مشترک اتفاق میافتد. طول نفوذ اکسایتونها در نیمه رساناهای آلی و پلیمرها معمولا حدود 10 تا 20 نانومتر است. مخلوط کردن پلیمرهای مزدوج با الکترون گیرنده هایی مانند فولرن ها یک روش خیلی کارا جهت شکافت اکسیتون های نور تحریکی به حاملهای بار آزاد است. مطالعات نور فیزیکی نشان داده است که انتقال بار نور تحریکی در چنین مخلوطهایی خیلی سریعتر از فرایندهای آسایشی رقیب خواهد بود[13].








    شکل12- مکانیسم کار، برای سلول خورشیدی پلیمری با اتصالات نامتقارن دهنده –گیرنده[7].





    شکل13- مکانیسم انتقال الکترن و حفره[16]

    8- نتیجه گیری
    از بین انواع متفاوت سلول های خورشیدی ،سلول های خورشیدی آلی به دلیل مزایایی هم چون انعطاف پذیری ،ارزان بودن و...توجه زیادی را به خود جلب کرده اند.از مهم ترین اجزا سلول های خورشیدی آلی مواد دهنده و گیرنده آن است که از مهم ترین مواد دهنده می توان به پلیمرهای هادی چون(MEH-PPV) و از مواد گیرنده به مشتقات فولرن اشاره کرد.از بین روش های متفاوت اتصالات در سلول های خورشیدی روش اتصالات ناهمگن توده‏ای (Bulk Heterojunction) به دلیل افزایش سطح تماس گیرنده و دهنده و راحت تر شدن انتقال الکترون بهترین است. تلاش هایی که اخیرا انجام شده برای تهیه گیرنده های الکترونی است که تحرک الکترونی بالایی دارند وبتوانند به جای مشتقات فولرن که گران قیمت هستند،استفاده شوند.










    منابـــــع :

    • 1. Zhou, Y. Bulk-heterojunction Hybrid Solar Cells Based on Colloidal CdSe Quantum Dots and Conjugated Polymers, Freiburg Im Breisgau, Dr. Thesis, 2011.
    • 2. Stella, M. Study of Organic Semiconductors for Device Applications, Barcelona, Dr. Thesis, 2009.
    • 3. Krebs, F. C. Polymer Photovoltaics a Practical Approach (Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, Bellingham, USA, 2007)
    • 4. Janssen, R. A.; Hummelen, J. C.; Sariciftci, N. S. MRS Bulletin 2005, 30, 33.
    • 5. Tarkuc, S. Tuning the Optoelectronic Properties of Conjugated Polymers via Donor-Acceptor-Donor Architectures, Natural and Applied Sciences of Middle east Technical University, Dr. Thesis, 2010.
    • 6. Thomas, C. A. Donor-Acceptor Methods for Band Gap Reduction In Conjugated Polymers: The Role of Electron Rich Donor Heterocycles, University of Florida, Dr. Thesis, 2002.
    • 7. Thomas Kietzke “Recent Advances in Organic Solar Cells” Review Article 2007
    • 8. Brabec, C. J.; Sariciftci, N. S.; Hummelen, J. C. Adv. Funct. Mater. 2001, 11, 15.
    • 9. Hadziioannou, G.; Hutten P.F.V. Semiconducting Polymers (Wiley, New York, Department of Polymer Chemistry and Materials Science Centre University of Groningen, 1999 )
    • 10. Liao, K. S.; Yambem, S. D.; Haldar, A.; Alley, N. J.; Curran, S. A. Energies 2010, 3, 1212.
    • 11. Gunes, S.; Neugebauer, H.; Sariciftci, N. S. Chemical Reviews 2007, 107, 1324.
    • 12. Thompson, B. C.; Frechet, J. M. J. Angew.Chem. Int. Ed. 2008, 47, 58.
    • 13. Brabec,C.; Zerza, G.; Cerullo, G.; De Silvestri, S.; Luzatti, S.; Hummelen, J.C.; Sariciftci, S. Chem.Phys.Lett. 2001, 340, 232.
    • 14. Cai, W.; Gong, X.; Cao, Y. Solar Energy Materials and Solar Cells 2010, 94, 114.
    • 15. Mozer, A. J. Charge Transport and Recombination in Bulk Heterojunction Plastic Solar Cells, Linz, Dr. Thesis, 2004.
    • 16. Kalita,G.; Wakita,K.; Umeno,M. “Investigation of Nanostructured Organic Solar Cells with Transmission Electron Microscopy” Microscopy: Science, Technology, Applications and Education 2010
    ویرایش توسط samane.metal : 2014/11/21 در ساعت 23:01
    خدایا!

    من اگر بد کنم تو را بنده ی دیگر بسیار است...

    تو اگر مدارا نکنی مرا خدای دیگر کجاست؟؟؟

    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...][Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]
  10. 3
  11. #6
    آسمون
    ناظـم سایـت
    تاریخ عضویت
    2012/11/06
    محل سکونت
    زیر چتر آسمون...
    سن
    27
    نوشته ها
    1,608
    3,143
    2,397

    سلولهای خورشیدی، مقدمهای بر خواص اساسی نیمه رساناها (1)

    .
    سلول های خورشیدی، مقدمه ای بر خواص اساسی نیمه رساناها (1)

    رشد مصرف جهانی انرژی در قرن اخیر و همراه با آن افزایش انتشار گازهای گلخانهای، با آلودگی بیش از پیش محیط زیست و خسارات جبران ناپذیر برای منابع حیاتی همراه بوده است. به منظور کاهش اتکا جهانی به منابع طبیعی پایان پذیر و سوختهای مخرب محیط زیست، تلاشهای علمی فراوانی برای کاهش هزینههای تولید انرژی از منابع تجدید پذیر صورت گرفته است. از جمله، تلاش برای تولید انرژی الکتریکی با استفاده از نور خورشید، که با استفاده از خاصیت ذاتی نیمه رساناها انجام شده است. نخستین سلولهای خورشیدی بر پایه نیمه رساناها، که بازده آنها به بیش از %10 میرسید در سالهای 1960-1950 ساخته شدند. هم اکنون %90-85 قطعات فوتوولتایی خورشیدی در سراسر جهان بر پایه قرصهای نازک بلوری سیلیکون ساخته میشوند. امروزه استفاده از نیمه رساناها تحول عظیمی در صنایع اپتیکی و الکترونیکی بوجود آورده است. بررسی خواص اساسی نیمه رساناها مانند ساختار نواری و نیز توضیح پدیدههایی مانند اثر فوتوولتایی از اهداف این مقاله است.






    1- مقدمه:

    امروزه رشد اقتصادی کشورها وابسته به تأمین منابع انرژی است. در بیشتر کشورها این منابع شامل زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی و همچنین انرژی هستهای میباشد. با این وجود، استفاده از این منابع با چالشهای مختلفی رو به رو است، از جمله پایان پذیر بودن منابع سوختهای فسیلی. بین سالهای 2004 تا 2030میلادی، مصرف جهانی انرژی، سالانه با رشدی بیش از ٪50 تخمین زده میشود. افزایشی به همین نسبت در انتشار CO2 (یک گاز گلخانهای شاخص) حاصل از سوختهای فسیلی احتراقی، پیش بینی میشود. به منظور کم کردن اتکا جهانی به منابع طبیعی پایان پذیر و سوختهای مخرب محیط زیست، تلاشهای علمی فراوانی برای کاهش هزینههای تولید انرژی از منابع تجدید پذیر، از قبیل: انرژی خورشیدی، آب، باد و غیره، صورت گرفته است. از آنجا که مجموعه بزرگی از پدیدههای حالت جامد، شامل تبدیل انرژی از شکلی به شکل دیگر هستند، مطالعه تبدیل انرژی در مواد، با استفاده از قطعات حالت جامد، زمینهای گسترده برای پیشرفت تکنولوژی انرژیهای تجدید پذیر، خواهد بود . بسیاری از نیمهرساناها میتوانند الکتریسیته را از نور خورشید تولید کنند. سلولهای فوتوولتایی، که اغلب سلولهای خورشیدی نامیده میشوند، از جمله قطعات حالت جامد هستند که بر اساس تبدیل انرژی خورشید به الکتریسیته، کار میکنند. از مزایای این روش تبدیل انرژی این است که، مواد غیر دوستدار محیط زیست تولید نمیکند و منبع نامحدودی از انرژی در اختیار ما قرار میدهد . متداول ترین و بهترین سلولهای خورشیدی توسعه یافته، از سیلیکون ساخته میشوند. از آنجا که سیلیکون %27.7 پوسته زمین را تشکیل میدهد، به نظر میرسد سلولهای خورشیدی سیلیکونی به طور بالقوه ارزان باشند، اما تبدیل سیلیکون به سلول خورشیدی، فرآیندی پرهزینه است که به الکتریسیته قابل توجهی نیاز دارد.

    1-1- طیف خورشید و فوتونها(Photons)

    سؤال این است که نور خورشید چگونه توصیف میشود؟ مشاهده رنگهای طیف نشان میدهد که نور خورشید میتواند به رنگهای مختلفی تقسیم شود. همچنین، استفاده از خطوط موازی بسیار نزدیک، به عنوان توری پراش، نشان میدهد که رنگها میتوانند با فاصله خطوط مرتبط باشند. بدین معنی که طول موجی مربوط به هر رنگ وجود دارد. از این رو نور یک موج الکترومغناطیسی است و میتوان یک طول موج به آن نسبت داد. از سوی دیگر، با مشاهده پدیدههایی چون اثر فوتوالکتریک انشتین توضیح داد که نور به صورت بستههای کوچک انرژی حرکت میکند، که مانند ذره رفتار میکنند و فوتون نامیده میشوند. در شکل(1) طیف خورشیدی نشان داده شده است [4].

    در یک سلول خورشیدی، نیروی الکتریکی در نتیجه جذب فوتون، تولید جفتهای الکترون- حفره (Electron-hole) و عبور آنها از یک ولتاژ، بوجود میآید. نیمهرساناها به طور ذاتی، یک انرژی جذب آستانه دارند که با آن ولتاژی که الکترون در نیمهرسانا میبیند، تعیین میشود. انرژیهای فوتونی و جذب آستانه با واحد الکترونولت داده میشود. برای مثال در شکل(1) انرژی آستانه جذب برای سیلیکون 1.1eV است که مساوی با 1.1 میکرون میباشد. فوتونهایی با انرژی کمتر از 1.1eV جذب نمیشوند و انرژی خورشید با طول موج بزرگتر از 1.1 میکرون تلف میشود.





    شکل1- طیف خورشید در 1.5AM، ناحیه خاکستری انرژی فوتونی قابل استفاده برای سلول خورشیدی سیلیکونی است.




    2- خواص اساسی نیمهرساناها

    برای وارد شدن به بحث سلولهای خورشیدی، درک برخی مفاهیم و خواص اساسی نیمهرساناها از اهمیت برخوردار است.

    1-2- ساختار نواری


    الکترونهای یک اتم منزوی، ترازهای انرژی مجزایی دارند. هنگامی که اتمها، برای تشکیل بلور، به هم نزدیک میگردند، بایستی ترازهای انرژی از هم شکافته باشند، اما به دلیل برهمکنش اتمی، ترازها بسیار نزدیک به هم قرار میگیرند، که منجر به یک نوار پیوسته انرژی میشود. دو نوار متمایز انرژی در نیمهرساناها وجود دارد. در دمای صفر کلوین، نوار پایینتر، که نوار ظرفیت نامیده میشود، پر از الکترون است(در دماهای متناهی این نوار میتواند با جابهجایی حالتهای تهی، رسانایی را موجب شود). بار الکتریکی در یک جامد مانند یک سیال است و حالتهای تهی مانند حباب در سیال رفتار میکنند، از این رو حفره نامیده میشوند. در نیمهرساناها نوار بالایی، تقریباً خالی از الکترون است و در بردارنده حالتهای الکترونی برانگیخته است(الکترونها از پیوند کووالانسی جایگزیده، به حالتهای گسترده در بدنه بلور میروند). چنین الکترونهایی، با به کارگیری یک میدان الکتریکی شتاب میگیرند و در شار جریان شرکت میکنند، بدین جهت این نوار، نوار رسانش نامیده میشود. اختلاف انرژی دو نوار، گاف نواری نامیده میشود که ناحیه ممنوع انرژی است، .

    2-2- گاف نواری مستقیم و غیرمستقیم در نیمهرساناها

    میتوان نمودار نوار انرژی الکترون در مقابل اندازه حرکت را رسم کرد. مینیمم نوار رسانش و ماکزیمم نوار ظرفیت، نسبت به هم، به دو صورت واقع میشوند. در حالت اول مینیمم نوار رسانش و ماکزیمم نوار ظرفیت، مطابق شکل 1الف، در اندازه حرکت یکسانی قرار می گیرند و وقتی الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش جهش میکند، تغییری در اندازه حرکت آن به وجود نمیآید. گالیم آرسنید و اکسید روی مثالهایی از این مورد هستند. چنین موادی نیمهرسانای مستقیم نامیده میشوند. در مقابل ممکن است، مینیمم نوار رسانش و ماکزیمم نوار ظرفیت، مطابق شکل 1ب در اندازه حرکت یکسان قرار نگیرند. بنابراین برانگیختگی یک الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، نه تنها نیاز به صرف انرژی زیادی دارد، بلکه، تغییری در اندازه حرکت آن به وجود خواهد آورد. با چنین موقعیتی در سیلیکون رو به رو هستیم. این مواد را نیمهرساناهای غیر مستقیم مینامیم (شکل 2).



    شکل2- نمودار نوار انرژی الکترون بر حسب اندازه حرکت برای نیمهرسانای a)مستقیم و b)غیرمستقیم .



    در نیمهرساناهای مستقیم، یک فوتون با انرژی Eg=hν ، میتواند یک الکترون را از نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته کند(عبور مستقیم). اما در نیمهرساناهای غیرمستقیم، این نوع عبور، امکان پذیر نمیباشد. به دلیل آنکه فوتونها اندازه حرکت بسیار کوچکی دارند، در حالیکه الکترون باید دستخوش تغییر بزرگی در اندازه حرکت شود. در این موارد، عبور الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش، میتواند با اتلاف یک فونون شبکه (انرژی گرمایی) رخ دهد، در این صورت اندازه حرکت مورد نیاز، تأمین میشود(عبور غیرمستقیم؛ به دلیل برهمکنش بین اتمها، یک جامد مدهای ارتعاشی دارد. کوانتوم انرژی ارتعاشی، فونون نامیده میشود، در برهم کنش فونون- الکترون انرژی و اندازه حرکت پایسته میمانند). البته عبورهای مستقیم نیز امکان پذیر هستند، اما یک انرژی فوتونی مینیمم برای برانگیخته کردن الکترون مورد نیاز است که بزرگتر از گاف انرژی باشد .


    3-2-انتقال حامل در نیمهرسانا

    1-3-2- تحرک (Mobility): در یک نیمهرسانا، الکترونها، بوسیله انرژی گرمایی، به صورت تصادفی در همه جهات، حرکت میکنند. پس از طی مسافت کوتاهی، الکترونها به یک اتم شبکه یا یک اتم ناخالصی و یا یک مرکز پراکندگی دیگر برخورد میکنند. این فرآیند پراکندگی موجب میشود الکترون مقداری از انرژی خود را از دست بدهد. متوسط زمان بین برخوردها، زمان آزاد میانگین، τc ، نامیده میشود. هنگامی که میدان الکتریکی کوچکی، E، بر نیمه رسانا اعمال شود، نیروی qE-، به الکترونها وارد میشود و به آنها شتابی در خلاف جهت میدان میدهد(q واحد بار الکتریکی است). مؤلفه حرکت تولید شده بوسیله میدان الکتریکی، سرعت سوق، νn ، نامیده میشود. تغییر اندازه حرکت الکترون در یک زمان آزاد میانگین، با رابطه زیر داده میشود:



    μn تحرک الکترون نامیده میشود و هم ارز با آن μp، تحرک حفره است. هنگامیکه میدان الکتریکی به یک نیمهرسانا اعمال میشود، الکترونها و حفرهها، برای کاهش انرژی پتانسیل، جریان پیدا میکنند. هنگامی که نیمه رسانای نوع n با مساحت سطح مقطع A در میدان الکتریکی واقع شود و جریان الکترون، In باشد، چگالی جریان الکترونی با رابطه زیر داده میشود:



    به همین ترتیب چگالی جریان حفره، Jp ، تعریف میشود. چگالی جریان نهایی، ناشی از میدان الکتریکی، که از جمع چگالی جریان الکترونها و حفرهها حاصل میشود، جریان سوق (Drift current ) نام دارد:



    σ رسانایی نامیده میشود. باید توجه داشت که اگرچه الکترونها و حفرهها در خلاف جهت یکدیگر حرکت میکنند، اما با توجه به اینکه علامت آنها نیز مخالف هم است جهت جریان ناشی از آنها یکسان است. هنگامی که یک تغییر فضایی در تراکم الکترونها در نیمه رسانا بوجود میآید، الکترونها از ناحیه با تراکم بالا به سمت تراکم کمتر جریان پیدا میکنند. این جریان، جریان پخش (Diffusion Current ) نام دارد. با فرض یک بعدی بودن، الکترونها از راست به چپ جریان پیدا میکنند و آهنگ چگالی جریان الکترونی بر مساحت واحد به صورت زیر داده میشود:



    Dn ضریب پخش الکترونی است و با رابطه انشتین(Einstein) داده میشود( Dn=(kT/q)μn) و dn/dx گرادیان تراکم الکترونها در یک بعد است. بنابراین چگالی جریان پخش الکترون از رابطه زیر بدست میآید:



    جریان پخش حفرهها( (Jp=qDn(dn/dx) نیز، به همین صورت تعریف میشود.


    4-2- اثر فوتوولتایی:


    پدیده تبدیل پرتو نوری به انرژی الکتریکی، اثر فوتوولتایی، PV، نامیده میشود. دو قطعه مهم که بر اساس اثر فوتوولتایی کار میکنند، سلول خورشیدی و آشکارساز نوری میباشند. هنگامی که یک فوتون با انرژی hν ( ثابت پلانک h و فرکانس نور ν است) که بزرگتر یا مساوی با گاف نواری Eg است، با یک نیمه رسانا برخورد میکند، جذب نور و در نتیجه تولید یک جفت الکترون-حفره (EHP) میتواند رخ دهد(شکل3). به عبارت دیگر، به منظور تولید جفتها در یک نیمه رسانای خاص، طول موج تابش برخوردی، باید کمتر از یک مقدار ویژه به نام طول موج قطع (Cutoff wavelength ) یا λc ، برای آن ماده باشد. همچنین، توانایی مواد برای جذب نور، به پارامتر دیگری به نام ضریب جذب ( Absorption coefficient) یا α وابسته است. α واحد عکس طول دارد، به طوری که 1-α طول جذب مؤثر، نامیده میشود و اندازهای از ضخامت ماده است که در آن فوتون برخوردی بوسیله نیمهرسانا جذب میشود. در واقع کسری از تابش برخوردی که در فاصله x از سطح جذب میشوند، با [1+(exp(-αx-] داده میشود. اگر α بزرگتر شود، مقدار بیشتری از تابش برخوردی در فاصله x جذب میشود. برای نیمه رساناهای با گاف نواری غیرمستقیم، مقدارα ، در یک انرژی فوتونی خاص(معمولاً برای مواد با Eg بزرگتر)، کمتر از نیمهرساناهایی با گاف نواری مستقیم است. این نشان میدهد، در یک انرژی فوتونی داده شده، برای جذب نور لایه نازکتری از نیمهرسانای مستقیم، مانند ZnO ، نسبت به نیمهرسانای غیرمستقیم، مانند Si لازم است .



    شکل3- جذب اپتیکی در نیمهرسانا .




    5-2- بازترکیب (Recombination):

    هنگامیکه نیمهرسانا در معرض منبع نور قرار میگیرد با تولید جفت الکترون-حفره، خاصیت رسانایی آن افزایش مییابد. این پدیده اثر فوتورسانایی (Photoconductive Effect ) نامیده میشود. حاملهای بار اضافی تولید شده در نیمهرسانا، پس از خاموش شدن منبع نور، نابود میشوند. این فرآیند بازترکیب نامیده میشود. در جامدات حجیم، پدیده بازترکیب به صورت بازترکیب مستقیم، غیرمستقیم (از طریق ترازهای انرژی جایگزیده در گاف انرژی ممنوع) و بازترکیب اوژه (Photoconductive Effect ) انجام میشود. بازترکیب مستقیم معمولاً در نیمهرسانای مستقیم غالب است . در یک نیمه رسانای مستقیم، هنگامی که یک الکترون از نوار رسانش سقوط میکند تا یک جای خالی در نوار ظرفیت را پر کند، انرژی به صورت یک فوتون نوری باز پس داده میشود. در حالیکه در مورد نیمهرسانای غیرمستقیم، این نوع عبور، علاوه بر تغییر در انرژی، شامل تغییری در اندازه حرکت میباشد و اختلاف انرژی، به جای یک فوتون نوری، معمولاً به صورت گرما به شبکه بلوری داده میشود. بنابراین قطعات گسیل نوری عموماً از نیمهرساناهای مستقیم ساخته میشوند . همچنین، بازترکیب اوژه هنگامی رخ میدهد که یک الکترون انرژی اضافی خود را به الکترونی دیگر در نوار رسانش یا ظرفیت میدهد که منجر به برانگیخته شدن الکترون به سطح بالاتری از انرژی میشود. فرآیند اوژه هنگامیکه تراکم حامل زیاد باشد، اهمیت پیدا میکند؛ بویژه در نیمهرساناهایی با گاف نواری کوچک .

    3- بحث و نتیجهگیری:

    انرژی خورشیدی از جمله منابع تجدید پذیر انرژی است که در کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی مؤثر خواهد بود. شناخت نحوه عملکرد سلولهای خورشیدی نیازمند درک اصول حاکم بر رفتار نیمهرساناها میباشد. دو نوار متمایز انرژی الکترونی(نوار رسانش و نوار ظرفیت) و تحرک الکترونها بین آنها، منشأ بسیاری از خواص نیمهرساناها میباشد. هنگامی که نیمهرسانا در معرض نور قرار میگیرد، حاملهای بار اضافی در آن تولید میشود. بازده یک سلول وابسته به تولید و جدایی حامل‎های بار است. از این رو، شناخت عوامل مؤثر در تولید، تفکیک و نیز بازترکیب حاملها حائز اهمیت است.

    منبع: سیستم جامع نانو

    .
    [Only Registered and Activated Users Can See Links. Click Here To Register...]











  12. 2
نمایش نتایج: از 1 به 6 از 6

اطلاعات موضوع

کاربرانی که در حال مشاهده این موضوع هستند

در حال حاضر 1 کاربر در حال مشاهده این موضوع است. (0 کاربران و 1 مهمان ها)

کلمات کلیدی این موضوع

مجوز های ارسال و ویرایش

  • شما نمیتوانید موضوع جدیدی ارسال کنید
  • شما امکان ارسال پاسخ را ندارید
  • شما نمیتوانید فایل پیوست کنید.
  • شما نمیتوانید پست های خود را ویرایش کنید
  •