نشریه علمی پژوهشی مواد پیشرفته در مهندسی

در سلول‌های خورشیدی رنگدانه­ای، به‌طور متداول، لایه‌ای متشکل از ذرات ۳۰۰ نانومتری به‌عنوان لایه بازتاب کننده و پس‌پراکننده نور به‌کار گرفته می‌شود تا میزان جمع‌آوری نور در این نوع سلول افزایش یابد. در این مطالعه، از دو نوع الکترولیت مبتنی بر ید و کبالت که شفافیت‌های مختلفی دارند استفاده شد تا اثر شفافیت الکترولیت بر میزان نور پس­پراکنده شده از لایه پس­پراکننده و اثر آن بر عمل‌کردِ سلولِ خورشیدی رنگدانه­ای بررسی شود. به­دلیل جذب نور در الکترولیت، مقدار جریانِ الکتریکی تلف شده برای الکترولیت مبتنی بر کبالت و ید به‌ترتیب برابر با mA/cm^۲ ۹/۲ و mA/cm^۲ ۲/۴ است. بنابراین از نظر ویژگی­های نوری، استفاده از الکترولیت مبتنی بر کبالت به دلیلِ جریانِ تلف شده کم‌تر توصیه می­شود. از طرفی در بازه­ ۵۰۰-۶۰۰ نانومتر در حالی­که الکترولیت کبالتی عبور ۱۰۰% دارد، مقدارِ اندکی جذب برای الکترولیت یدی مشاهده می­شود. برخلاف سلول خورشیدی حاوی الکترولیت ید، بازده کوانتومی خارجی سلول­ حاوی الکترولیت کبالت برای طول­موج­های کم­تر از ۳۵۰ نانومتر، با استفاده از لایه پس­پراکننده افزایش می‌یابد که ناشی از عبوری است که الکترولیت کبالتی در این ناحیه دارد. محاسبات نوری نشان می‌دهد که در بازه­ ۴۰۰-۵۰۰ نانومتر که رنگدانه جذبِ قابل­ملاحظه­ای دارد، حدودِ ۴۰% و ۳۰% نور به‌ترتیب در الکترولیت یدی و کبالتی جذب و تلف می­شود.

در این تحقیق غشای شیشه- سرامیک جدید با ساختار نوع ناسیکون و فرمول کلی (Li_۱+x+yAl_xCr_yGe_۲-x-y(PO_۴)_۳, x+y=۰/۵) با روش انجماد سریع شیشه مذاب و تبدیل به شیشه- سرامیک از طریق عملیات حرارتی، سنتز و اثر اضافه نمودن غلظت‌های متفاوتی از عناصر آلومینیوم و کروم به ساختار LiGe_۲(PO_۴)_۳ جهت بهبود هدایت یونی مورد بررسی قرار گرفت. جایگزینی جزئی یون‌های Ge^۴+ موجود در ساختار ناسیکون با یون‌های Al^۳+ و Cr^۳+ منجربه القای مقادیر بیشتری از یون‌های لیتیم در حفره‌های خالی A_۲ جهت موازنه بار و همچنین تغییر در پارامترهای شبکه کریستال شد. این دو عامل باعث افزایش هدایت یونی شیشه- سرامیک شد. مشخصه‌یابی و بررسی ساختارهای آمورف و کریستاله در این تحقیق با آزمون‌های پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FESEM)، طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDX)، گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC) و طیف سنجی امپدانس مختلط (CIS) انجام گرفت. بیشترین هدایت یونی برابر با۸/۸۲Í۱۰^-۳  زیمنس بر سانتی‌متر برای نمونه با x=۰/۴ و y=۰/۱، (Li_۱,۵Al_۰,۴Cr_۰,۱Ge_۱,۵(PO_۴)_۳) که در دمای ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد برای مدت ۸ ساعت کریستاله گردید، حاصل شد. این نمونه همچنین کمترین انرژی اکتیواسیون معادل با ۲۶۷/۰ الکترون ولت را از خود نشان داد.