نشریه علمی پژوهشی مواد پیشرفته در مهندسی

در سلول‌های خورشیدی رنگدانه­ای، به‌طور متداول، لایه‌ای متشکل از ذرات 300 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/cm² 9/2 و mA/cm² 2/4 است. بنابراین از نظر ویژگی­های نوری، استفاده از الکترولیت مبتنی بر کبالت به دلیلِ جریانِ تلف شده کم‌تر توصیه می­شود. از طرفی در بازه­ 500-600 نانومتر در حالی­که الکترولیت کبالتی عبور 100% 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 350 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 400-500 نانومتر که رنگدانه جذبِ قابل­ملاحظه­ای دارد، حدودِ 40% و 30% 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_1+x+yAl_xCr_yGe_2-x-y(PO₄)₃, x+y=0/5) 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 LiGe₂(PO₄)₃ جهت بهبود هدایت یونی مورد بررسی قرار گرفت. جایگزینی جزئی یون‌های Ge⁴⁺ موجود در ساختار ناسیکون با یون‌های Al³⁺ و Cr³⁺ منجربه القای مقادیر بیشتری از یون‌های لیتیم در حفره‌های خالی A₂ 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 با8/82Í10^-3  زیمنس بر سانتی‌متر برای نمونه با x=0/4 و y=0/1، (Li_1.5Al_0.4Cr_0.1Ge_1.5(PO₄)₃) که در دمای 850 درجه سانتی‌گراد برای مدت 8 ساعت کریستاله گردید، حاصل شد. این نمونه همچنین کمترین انرژی اکتیواسیون معادل با 267/0 الکترون ولت را از خود نشان داد.