بررسی ویژگی‌های فتوولتایی سلول خورشیدی بسپاری حاوی نقاط کوانتومی با لیگاند پروسکایتی

محورهای موضوعی : شیمی تجزیه

رضوان سلطانی ¹ (دانشجوی دکترا گروه مهندسی پلیمر، دانشکده مهندسی پلیمر و رنگ، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران)
علی اصغر کتباب ² (استاد گروه مهندسی پلیمر، دانشکده مهندسی پلیمر و رنگ، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران)

تاریخ دریافت : 1396/12/06 تاریخ پذیرش : 1397/05/06 تاریخ انتشار : 1397/06/01

کلید واژه: نقاط کوانتومی, سلول خورشیدی بسپاری, سلول خورشیدی سه‌تایی, حساس کننده, سرب سولفید,

چکیده مقاله :

در مطالعه حاضر برای نخستین بار اثر حضور نقاط کوانتومی سرب سولفید و تعویض لیگاند آن از لیگاند عایق و بلند زنجیره اولئیک اسید به لیگاند پروسکایتی کوتاه زنجیره متیل‌آمونیم‌سرب یدید بر ویژگی‌های فتوولتایی سلول خورشیدی ناهمگون حجمی بر پایه بسپار پلی‌تری‌هگزیل‌تیوفن (P3HT) و یکی از مشتقات فولرن‌ها (PC61BM) موردبررسی قرارگرفته است. نتایج طیف جذبی به‌دست‌آمده در محدوده طول‌موج‌های مرئی و نزدیک به فروسرخ، بهبود جذب فوتون بسپار P3HT براثر حضور نقاط کوانتومی حاوی هر دو نوع لیگاند را نشان می‌دهد. همچنین، نتایج اندازه‌گیری طیف نشری نیز بیانگر بهبود جدایش اگزیتون در سلول‌های خورشیدی سه‌تایی نسبت به نوع دوتایی آن است، به‌گونه‌ای که نتایج یادشده انتقال الکترون از P3HT به نقاط کوانتومی و انتقال حفره از نقاط کوانتومی به P3HT را در فیلم‌های فعال نوری حاوی نقاط کوانتومی با هر دو نوع لیگاند را اثبات می‌کند. اندازه‌گیری ویژگی‌های فتوولتایی سلول‌های خورشیدی تهیه‌شده، بیانگر این مطلب است که استفاده از نقاط کوانتومی حاوی لیگاند پروسکایتی سبب افزایش بیشتر بازدهی سلول خورشیدی می‌شود، به‌گونه‌ای که با افزودن 6% وزنی نقاط کوانتومی حاوی لیگاند پروسکایتی، بازدهی سلول خورشیدی به مقدار 6% افزایش می‌یابد. این در حالی است که حضور نقاط کوانتومی حاوی لیگاند اولئیک اسیدی نه‌تنها سبب بهبود بازدهی سلول خورشیدی نمی‌شود، بلکه بازده تبدیل سلول را نیز کاهش می‌دهد. این تفاوت را می‌توان به عایق بودن زنجیرهای طویل اولئیک اسید و بیشتر بودن سرعت حرکت ذرات باردار در لایه فعال نوری حاوی نقاط کوانتومی با لیگاند پروسکایتی ارتباط داد.

چکیده انگلیسی:

in the present study, attempts have been made for the first time to investigate the influence of lead sulfide (PbS) colloidal quantum dots along with their ligand exchange from long-chain insulating oleic acid )OA) to the short-chain semiconducting methylammonium lead iodide )MA4PbI6), called perovskite, upon the photon harvesting efficiency and photovoltaic characteristics of bulk heterojunction (BHJ) polymeric solar cell comprising ternary photo active layer based on poly )3-hexyl thiophene))rrP3HT) as electron donor and PC61BM as acceptor. According to the photo absorption spectrum obtained within UV-Vis and NIR regions, the ternary cells based on OA and MA4PbI6 capped PbS exhibit enhanced photon harvesting efficiency compared with their binary counterpart cell. The steady state photoluminescence results reveal efficient electron transfer from photoexcited P3HT to QDs and hole transfer from photoexcited QDs to P3HT, leading to the improved power conversion efficiency (PCE) of the ternary cells. However, compared with OA, the semiconducting perovskite )MA4PbI6) ligand shows to be much more effective in increasing power conversion efficiency, so that 6% improvement in PCE is seen by the introduction of 6% PbS QD capped with perovskite ligand unlike PbS QD with OA ligand which had adverse effect on the photovoltaic properties of p 3HT: PC61BM solar cell. This is explained to be due to the insulating characteristic of long chain OA as well as improved charge carrier transport in the case of PbS capped perovskite based ternary solar cells.

منابع و مأخذ:

[1] Guo, F.; Zhu, X.; Forberich, K.; Krantz, J.; Stubhan, T.; Salinas, M.; Halik, M.; Spallek,  S.; Butz, B.; Spiecker, E.; Ameri, T.; Li, N.; Kubis, P.; Guldi, D.M.; Matt, G.J.; Brabec, C.J.;  Adv. Energy Mater. 3, 1062-1067, 2013.

[2] Ameri, T.; Khoram, P.; Min, J.; Brabec, C.J.; Adv. Mater. 25, 4245–4266, 2013.

[3] Gasparini, N.; Salvador, M.; Fladischer, S.; Katsouras, A.; Avgeropoulos, A.; Spiecker, E.; Chochos, C. L.; Brabec, C. J.; Ameri, T.; Adv. Energy Mater. 5, 1–7, 2015.

[4] Gasparini, N.; Jiao, X.; Heumueller, T.; Baran, D.; Matt, G.J.; Fladischer, S.;Spiecker, E.; Ade, H.; Brabec, C.J.; Ameri, T.; Nat. Energy 1, 1–14, 2016.

[5] Gasparini, N.; Katsouras, A.; Prodromidis, M.I.; Avgeropoulos,  A.; Baran, D.; Salvador, M.; Fladischer, S.; Spiecker, E.; Chochos, C.L.; Ameri, T.; Brabec, C.J.;  Adv. Funct. Mater. 25, 4898–4907, 2015.

[6] Huang, J.H.; Velusamy, M.; Ho, K.C.; Lin, J.T.; Chu C.W.; J. Mater. Chem. 20, 2820-2825, 2010.

[7] Sharma, G.D.; Singh, S.P.; Roy, M.S.; Mikroyannidis, J.A.; Org. Electron. 13, 1756–1762, 2012.

[8] Min, J.; Ameri, T.; Gresser, R.; Lorenz-Rothe, M.; Baran, D.; Troeger, A.; Sgobba, V.; Leo, K.; Riede, M.; Guldi, D.M.; Brabec, C.J.; ACS Appl. Mater. Interfaces, 5, 5609–5616, 2013.

[9] Ke, L.; Min, J.; Adam, M.; Gasparini, N.; Hou, Y.; Perea; J.D.; Chen, W.; Zhang, H.; Fladischer, S.; Sale, A.C.; Spiecker, E.; Tykwinski, R.R.; Brabec, C..; Ameri, T.; Adv. Energy Mater. 6, 1–13, 2016.

[10] Carey, G.H.; Abdelhady, A.L.; Ning, Z.; Thon, S.M.; Bakr, O.M.; Sargent, E.H.; Chem. Rev. 115, 12732-12763, 2015.

[11] Talapin, D.V; Lee, J.; Kovalenko, M.V; Shevchenko, E.V; Chem. Rev. 110, 389–458, 2010.

[12] Fu, H.; Choi, M.; Luan, W.; Kim, Y.S.; Tu, S.T.; Solid. State. Electron. 69, 50–54, 2012.

[13] Jarzab, D.; Szendrei, K.; Yarema, M.; Pichler, S.; Heiss, W.; Loi, M.A.; Adv. Funct. Mater. 21, 1988–1992, 2011.

[14] Taukeer, K.M.; Kaur, A.; Dhawan, S.K.; Chand, S.; J. Appl. Phys. 110, 044509-17, 2011.

[15] Han, Y.W.; Lee, E.J.; Joo, J.; Park, J.; Sung, T.H.; Moon, D.K.; J. Mater. Chem. A. 4, 10444–10453, 2016.

[16] Bisri, S.Z.; Piliego, C.; Yarema, M.; Heiss, W.; Loi, M.A.; Adv. Mater. 25, 4309–4314, 2013.

[17] Zhitomirsky, D.; Furukawa, M.; Tang, J.; Stadler, P.; Hoogland, S.; Voznyy, O.; Liu, H.; Sargent, E.H.; Adv. Mater. 24, 6181–6185, 2012.

[18] Wise, F.W.; Acc. Chem. Res. 33, 773–780, 2000. 

[19] Sytnyk, M.; Yakunin, S.; Schöfberger, W.; Lechner, R.T.; Burian, M.; Ludescher, L.; Killilea, N.A.; Yousefi Amin A.; Kriegner, D.; Stangl, J.; Groiss, H.; Heiss, W.; ACS Nano 11(2), 1246–1256, 2017.

[20] Hines, M.A.; Scholes, G.D.; Adv. Mater. 15, 1844–1849, 2003.

[21] Brown, P.R.; Kim, D.; Lunt, R.R.; Zhao, N.; Bawendi, M.G.; Grossman, J.C.; Bulovi, V.; ACS Nano 8, 1–17, 2014.

[22] Kahmann, S.; Mura, A.; Protesescu, L.; Kovalenko, M.V.; Brabec, C.J.; Loi, M.A.; J. Mater. Chem. C 3, 5499–5505, 2015.

[23] Itskos, G.; Papagiorgis, P.; Tsokkou, D.; Othonos, A.; Hermerschmidt, F.; Economopoulos S.P.; Yarema, M.; Heiss, W.; Choulis S.; Adv. Energy Mater. 3, 1490–1499, 2013.

[24] Xu, F.; Gerlein, L.; Ma, X.; Haughn, C.; Doty, M.; Cloutier, S.; Materials (Basel) 8, 1858–1870, 2015.