31249

ساخت و مشخصه‌يابي سلول‌هاي خورشيدي پروسكايتي در ابعاد بزرگ بر پايه لايه‌هاي جاذب چاپ شده

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد و متالورژي

1401

1403.07.02

دكتر امير محمود بخشايش

ندارم

مواد

سلول‌هاي خورشيدي پروسكايتي از جمله فناوري‌هاي تحول‌آفرين و نوظهور هستند كه بازدهي آنها در تبديل انرژي نوراني به الكتريكي در يك دهه گذشته رشد چشمگيري داشته است. از چالش‌هاي مهم در مسير تجاري‌سازي اين نسل از سلول‌هاي خورشيدي، ساخت آنها در ابعاد بزرگ مي‌باشد. سلول‌هاي خورشيدي آزمايشگاهي با روش پوشش‌دهي چرخشي لايه‌نشاني مي‌شوند كه به لحاظ عملياتي و مصرف مواد، گزينه مناسبي براي تهيه لايه‌هاي با ابعاد بزرگ به‌حساب نمي‌آيند. در پايان‌نامه حاضر، سلول‌هاي خورشيدي بر پايه لايه‌هاي جاذب پروسكايتي چاپ شده در ابعاد بزرگ (cm2 5) ساخته و تأثير متغيرهاي مختلف فرآيند چاپ بر عملكرد آنها مطالعه شد. براي تهيه لايه‌هاي پروسكايت از روش چاپ تيغه‌اي استفاده شد. به اين منظور، سه دسته سلول بر پايه جوهرهاي پروسكايت با غلظت‌هاي 1، 3/1 و 5/1 مولار مبناي مطالعه قرار گرفتند و در هر دسته، سلول خورشيدي با سرعت‌هاي چاپ مختلف (100، 300 و 500 ميلي‌متر بر دقيقه) و همچنين فاصله‌هاي مختلف تيغه چاپ تا لايه (1/0، 2/0 و 3/0 ميلي‌متر) بررسي شدند. نتايج حاصل نشان داد كه سلول خورشيدي ساخته شده بر پايه فتوآند M32 (چاپ شده با جوهر 3/1 مولار پروسكايت با سرعت 300 ميلي‌متر بر دقيقه و فاصله تيغه چاپ تا لايه 2/0 ميلي‌متر) بهترين عملكرد را در تبديل انرژي نوراني به الكتريكي داشت. بازدهي، چگالي جريان مدار كوتاه و ولتاژ مدار باز اين سلول به ترتيب 09/6 درصد، mA.cm-2 74/9 و 02/1 ولت بدست آمد. حضور پيك‌هاي ساختارهاي پروسكايت هاليد آلي-معدني تتراگونال در طيف پراش ‌پرتو‌ ايكس (XRD) در تمامي فتوآندهاي چاپ شده حاكي از آن بود كه ساختارهاي پروسكايتي با تركيب Cs0.05(FA0.83MA0.17)0.95Pb(I0.83Br0.17)3 تشكيل شده‌اند. پهنا و ارتفاع قله XRD فتوآند M32 نشان داد كه اين نمونه در مقايسه با ساير فتوآندهاي چاپ شده ساختار بلوري كامل‌تر و با نقص كمتري دارد. تصوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي (FE-SEM) از سطح فتوآندهاي چاپ شده نشان داد كه لايه‌هاي جاذب، متشكل از ذرات مكعبي و كروي با ابعاد ميانگين 250 نانومتر هستند. ذرات پروسكايت روي سطح نمونه M32 در مقايسه با ساير نمونه‌ها توزيع يكنواخت‌تري داشتند و حفراتي روي سطح اين نمونه ديده نشد. اما روي سطح ساير نمونه‌ها حفراتي ديده شد كه به عنوان مكان‌هاي تله براي حذف الكترون‌هاي آزاد عمل كرده و بازدهي سلول خورشيدي را كاهش مي‌دهند. طيف‌هاي فوتولومينسانس (PL) و مرئي-فرابنفش (UV-Vis) فتوآندهاي چاپ شده نشان داد كه تمامي نمونه‌ها داراي انرژي شكاف باند در حدود eV 6/1 بودند اما فتوآند M32 نسبت به ساير نمونه‌ها داراي كامل‌ترين شبكه بلوري و بيشترين جذب نور در محدوده مرئي و فرابنفش بود كه حاصل آن چگالي بالاتر زوج الكترون-حفره ايجاد شده و در نتيجه عملكرد بالاتر سلول خورشيدي ساخته شده بود. به ‌نظر مي‌رسد كه ادامه تحقيقات در حوزه چاپ لايه جاذب مي‌تواند راه‌گشاي مسير تجاري‌سازي سلول‌هاي خورشيدي پروسكايتي باشد.

1403/07/11

Fabrication and Characterization of Large-scale Perovskite Solar Cells Based on Printed Absorber Layers

9/23/2025 12:00:00 AM

Perovskite solar cells represent a transformative and emerging technology, exhibiting significant advancements in their efficiency for converting luminous energy to electrical energy over the past decade. A critical challenge in the commercialization of this generation of solar cells is the production of large-scale devices. Laboratory-scale solar cells are typically fabricated using a spin-coating technique, which is not operationally viable or materialefficient for generating larger layers. This thesis investigates perovskite-based solar cells with large-area (5 cm²) printed absorber layers, analyzing the impact of various printing process parameters on their performance. A blade coating method was employed for the fabrication of the perovskite layers. For this purpose, three categories of cells were studied, utilizing perovskite inks with concentrations of 1, 1.3, and 1.5 molar, in which each category of solar cells was examined under different printing speeds (100, 300, and 500 mm per minute) and various blade-to-layer distances (0.1, 0.2, and 0.3 mm). The results demonstrated that the solar cell based on the M32 photoanode (printed with a 1.3 molar perovskite ink at a speed of 300 mm per minute and a blade distance of 0.2 mm) exhibited the highest performance in converting luminous energy into electrical energy. Specifically, the efficiency, short-circuit current density, and open-circuit voltage of this cell were 6.09%, 9.74 mA/cm², and 1.02 V, respectively. The presence of peaks corresponding to tetragonal organic-inorganic halide perovskite structures in the X-ray diffraction (XRD) spectrum for all printed photoanodes indicated that the perovskite structures were formed with the composition Cs0.05(FA0.83MA0.17)0.95Pb(I0.83Br0.17)3. The width and height of the XRD peaks for the M32 photoanode revealed that this sample possessed a more complete crystalline structure with fewer defects compared to other printed photoanodes. Scanning Electron Microscopy (FESEM) images of the surfaces of the printed photoanodes showed that the absorber layers were composed of cubic and spherical particles with an average size of 250 nm. The distribution of perovskite particles on the surface of the M32 sample was notably more uniform than that of the other samples, which exhibited surface pits that acted as traps for free electrons, thereby reducing the solar cell efficiency. Photoluminescence (PL) and visible-ultraviolet (UV-vis) spectra of the printed photoanodes indicated that all samples had a bandgap energy of approximately 1.6 eV; however, the M32 photoanode demonstrated the most complete crystalline lattice and greatest light absorption in both the visible and ultraviolet ranges, resulting in a higher density of generated electron-hole pairs and, consequently, enhanced solar cell performance. Continued research in the field of absorber layer printing appears to be a promising avenue for advancing the commercialization of perovskite solar cells.

سلول خورشيدي، پروسكايت، ابعاد بزرگ، لايه‌نشاني چاپي، مشخصه‌يابي

Solar cells, perovskite, large-scale, printing deposition, characterization.

Fatemeh Sadat Rouhani Haji Agha

Dr. Amirmahmoud Bakhshayesh