کنترل گرمایش جهانی و جلوگیری از افزایش بیش از حد دمای کرهی زمین یکی از موضوعات چالش برانگیز قرن بیست و یکم میباشد. محدود کردن افزایش دمای کره زمین در حد 2 درجه سانتی گراد به نحوهی استفاده از سوختهای فسیلی بستگی دارد، زیرا گازهای ناشی از سوختهای فسیلی به خصوص گاز دی اکسید کربن (CO2) مانع از تبادل حرارتی جو زمین با خارج شده و گرما داخل جو محبوس میشود به همین دلیل این شرایط به فرآیند تولید گازهای گلخانهای شهرت یافته که افزایش آب و هوای زمین را در پی داشته است. بالا رفتن دمای کره زمین باعث بروز تغییر در آب و هوا میشود. بخش اعظم انتشار این گازها ناشی از استفادهی بیرویهی منابع انرژی فسیلی از جمله زغال سنگ، نفت و گاز توسط کشورهای توسعه یافته و صنعتی میباشد. این منابع اولیهی انرژی نه تنها باعث تغییرات آب وهوا بلکه سلامت انسان و اکوسیستم را نیز در معرض خطر قرار میدهد. از سوی دیگر منابع انرژی جهان محدود هستند و به طور یکنواختی توزیع نشدهاند. همهی اینها باعث میشود بشر به سمت منابع تجدید پذیر انرژی از جمله آب، باد، بیومس و انرژی خورشیدی سوق یابد.
در حالی که منابع انرژی در آینده میبایست ترکیبی از این منابع باشد، انرژی خورشیدی به تنهایی 10000 برابر مصرف روزانهی سیارهی ما را تأمین می کند. خورشید معادل 1024×3 ژول انرژی در سال به سیارهی ما میدهد، بنابراین با پوشش دادن تنها % 1/0 از سطح زمین با سلولهای خورشیدی با بازدهی % 10 نیاز فعلی بشر به انرژی تأمین می شود، اما استفادهی گسترده از این نوع انرژی نیازمند تکنولوژی برتر و تخمین صرفه اقتصادی میباشد.
البته انرژی خورشیدی با محدودیتهایی نیز رو به رو است از جمله غیر پیوسته بودن و پراکندگی این منبع؛ زیرا حرکت زمین موجب عدم تداوم نور خورشید در 24 ساعت شبانه روز میباشد، همچنین نقاط جغرافیایی مختلف به یک میزان از این انرژی بهره نمیبرند مثلاً در کشورهایی مانند فنلاند و سوئد که آفتابگیر نیستند، این انرژی غیر کاربردی میشود. علاوه بر این ذخیرهسازی و انتقال انرژی خورشیدی در مقیاس بزرگ مستلزم سرمایهگذاری وسیعتر میباشد.
بهرهبرداری از این انرژی نیازمند رسیدن به تکنولوژی و صنعت فوتوولتائیک که تولیدکنندهی انواع سلولهای فوتوولتائیک است، میباشد. این سلولها تبدیلکنندهی مستقیم انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی هستند. این سلولها به دلیل عدم نیاز به اجزای متحرک؛ هزینهی نگهداری پایینی دارند و به همین دلیل جهت کاربردهای بلند مدت مورد توجه قرار گرفتهاند.
امروزه صنعت از سلولهای نیمه هادی فوتولتائیک در محصولات مصرفی مانند: ساعتهای خورشیدی، ماشین حسابها، اسباببازیها و غیره یا مونتاژ شدهی این سلولها در ماژولهای خورشیدی استفاده میکند. سلولهای خورشیدی فوتوولتائیک بسته به نوع تکنولوژی به کار برده شده در ساختشان به سه نسل تقسیم میشوند:
نسل اول: رایجترین سلولهایی هستند که در مصارف صنعتی و خانگی مورد استفاده قرار میگیرند و از ویفرهای سیلیکونی تک کریستالی و چند کریستالی ساخته میشوند که حدود % 85 از سهم بازار را به خود اختصاص دادهاند. خلوص بالای کریستال های سیلیکون مورد نیاز و همچنین دمای بالا هنگام ساخت و مقادیر زیاد ماده مورد نیاز جهت ساخت این سلولها پارامترهای تعیین کننده در تخمین هزینهی این سلولها هستند. بازده این سلولها به شدت به زاویهی تابش نور فرودی وابسته است بنابراین در تولیدات تجاری علاوه بر بازده، هزینه نصب

 و نگهداری پنلها هم مهم است و همهی عوامل باید با هم بهینه شوند. هم اکنون شرکتهای تجاری در راستای کاهش هزینه تمام شده به کمتر از 1 دلار به ازای هر وات و تولید پنلهای سبکتر و انعطافپذیرتر حرکت می کنند.

نسل دوم: به علت هزینهی ساخت بالا، ویفرهای سیلیکونی به سرعت با سلولهای نسل دوم جایگزین شدند. این سلولها بر اساس تکنولوژی فیلمهای لایه نازک میباشند که بر پایهی سیلیکون آمورف، کادمیوم تلوراید (CdTe) ،مس ایندیم سلنید(CIS) و مس ایندیم گالیم سلنید(CIGS) ساخته میشوند که معمولاً بین یک زیر لایهی شفاف رسانا و الکترود کاتد پوشش داده میشوند. این سلولها % 15 بازار تجاری را شامل میشود.
حد ترمودینامیکی بازدهی تبدیل نور به الکتریسیته برای سلولهای فوتوولتائیک با تک پیوند p-n (نسل اول و دوم) تحت تابش استاندارد AM1.5 G برابر % 9/32 میباشد. که این حد ، حد شاکلی کوئیزر نامیده میشود که از این واقعیت سرچشمه میگیرد که فوتونهایی با انرژی کمتر از شکاف انرژی جذب نمیشوند و فوتونهایی با انرژی بالاتر از شکاف انرژی، انرژی اضافه (Ephoton-Egap) را به صورت گرما ساطع میکنند.
نسل سوم : سلولهای خورشیدی نسل سوم با هدف افزایش بازدهی بالاتر از حد شکلی-کوئیزر به موازات پیشرفتهای لایه نازک مورد توجه قرار گرفتند. به این منظور از مفاهیم و رویکردهای علمی از جمله: سلولهای چند پیوندی، مبدلهای اپتیکی، تولید چندین حامل بار توسط اثر یونیزاسیون و وارد کردن ناخالصی در ساختار استفاده کردند. بازدهی بالاتر از % 40 برای سلولهای چند پیوندی با استفاده از متمرکز کردن نور خورشید گزارش شده است.
سلول های خورشیدی رنگدانهای (DSSCs) و سلولهای خورشیدی حساس شده با نقاط کوانتومی (QDSSCs) و همچنین سلولهای پلیمری جزء سلولهای نسل سوم هستند که در ادامه به تفسیر آنها می پردازیم.
سلول های خورشیدی رنگدانه ای و ساختار کلی آن ها
این سلولها اولین بار در سال1991 توسط گراتزل و همکارانش ساخته شد که از نوع سلولهای فتو الکتروشیمیایی هستند و شامل فتوآند، الکترولیت اکسایشی–کاهشی و الکترود کاتد میباشد. شکل ‏1 1 طرحوارهای از اجزای یک DSSC، سطوح انرژی، اجزای مختلف آن و فرآیندهایی که در این سلول اتفاق می افتد را نشان میدهد.

شکل ‏1 1 . طرح وارهای از (a): یک سلول خورشیدی رنگدانهای، (b): دیاگرام انرژی در یک DSSC [ – ]
در این سیستم، لایهای متخلخل از ذرات نانومتری وجود دارد که معمولاً از نانوساختار دی اکسید تیتانیوم (TiO2) استفاده میشود اما اکسیدهای دیگر با گاف انرژی مشابه مانند ZnO ، SnO2 ،Nb2O5 نیز مورد بررسی قرار گرفتهاند.[ – – – – ]
در این سلولها تک لایهای از رنگ روی سطح لایهی نانوکریستالی جذب می شود. بر اثر تابش، مولکول رنگدانه برانگیخته شده و این برانگیختگی به تزریق یک الکترون به باند هدایت TiO2 و ایجاد حفرهای در رنگدانه میانجامد که به آن فرایند تزریق میگویند سپس رنگدانه با گرفتن الکترون از الکترولیت احیا شده و به حالت پایه باز میگردد (فرآیند احیای رنگدانه ) .الکترولیت که شامل یک جفت اکسایش-کاهش یدید/تری یدید حل شده در یک حلال آلی میباشد با ورود الکترون از الکترود مقابل احیا شده و مدار الکتریکی با انتقال الکترون در مدار خارجی کامل می شود.
احیای رنگ( حساس کننده) توسط الکترولیت، مانع گیر افتادن دوبارهی الکترون تزریقی به TiO2 توسط رنگ اکسید شده میشود. ولتاژ تولید شده در این سلول متناسب با اختلاف سطح فرمی الکترون نیمه هادی و پتانسیل اکسایش-کاهش الکترولیت است. شکل ‏1 1سطوح انرژی اجزای مختلف یک سلول خورشیدی رنگدانهای را نشان میدهد. در ادامه اجزای این سلولها به تفضیل شرح داده میشود:
1-2-1-فتوآند
جهت ساخت فتوآند در این سلولها از نیمهرساناها استفاده میشود. نیمهرساناها معمولاً در معرض الکترولیت و تابش نور پایداری خوبی دارند ولی بیش تر نیمه رساناها به علت گاف انرژی نسبتاً زیادی که دارند، نمیتوانند نور مرئی را به اندازه کافی جذب کنند بنابراین نیمه رساناهایی مانند نانو ساختارهای تیتانیوم اکسید (TiO2) و اکسید روی (ZnO) با پوششی از رنگدانههای آلی که میتوانند بخشی از نور مرئی خورشید را جذب کنند در این سلولها به کار میرود. رنگدانهها در واقع نوعی مولکولهای آلی حساس به نور هستند. ویژگی خاص مولکولهای این نوع رنگدانه وجود ترازهای HOMO و LUMO در آنهاست که امکان آزاد شدن الکترون و انتقال آن به TiO2 را ممکن می سازد .
مؤثرترین و متداولترین رنگدانههایی که در این نوع سلولها به کار می روند و توسط گروه گراتزل ساخته شده اند، کمپلکسهای روتنیوم و اسمیوم میباشند که از طریق گروه کربوکسیلی فسفاتی و هیدروکسیلی به سطح TiO2 متصل می شوند. در بین رنگدانه های مختلف ، مهم ترین نوع تجاری آن ها N719 ، Z907 ، N3 هستند.
نیمه رساناهای TiO2 و ZnO بر روی زیر لایههای شفاف و رسانا مانند قلع اکسید آلاییده شده با فلوئور (FTO) یا ایندیوم پوشش داده میشوند. این زیر لایه ها پوشش نازکی از اکسید رسانای شفاف (TCO) لایه نشانی شده روی شیشه است ویژگی های دیگر این زیر لایه مقاومت سطحی پایین و عدم تغییر حالت در دماهای حدود 500 درجه سانتی گراد میباشد. برای افزایش میزان نور جمع آوری شده (LHE) پژوهشگران از الکترودهای TiO2 مزوپروس استفاده میکنند که علاوه بر افزایش جذب رنگدانه، موجب نفوذ آسانتر الکترولیت به داخل ساختار مزوپروس می شود.
معمولاً این لایهی مزوپروس TiO2با فاز بلوری آناتاز بوده که از ساختار های متداولی چون نانو لوله ، نانو میله، نانو ذره ، نانوفیبر دی اکسید تیتانیوم برای این لایه در ابعاد 400-20 نانومتر استفاده می شود. این لایه نیمه هادی دارای تخلخلی از مرتبه 60-70 در صد است. فاکتور زبری (نسبت سطح واقعی به ظاهری) برای لایه ای به ضخامت mµ10 حدود 1000 است و به این معناست که cm2 1 از لایه TiO2 با ضخامتm µ10 دارای سطح واقعی cm2 1000 می باشد که منجر به جذب سطحی مقدار زیادی رنگدانه شده ( مقدار رنگدانه جذب شده از مرتبµmol/cm2 1/0) که افزایش میزان جمع کردن باریکه ی نور تابشی در فتو الکترود حساس شده به رنگدانه (LHE) را در پی دارد همچنین با افزایش پراکندگی نور در لایه TiO2 ، طول مسیر نور تابشی و در نتیجه میزان جذب نور توسط رنگدانهها افزایش مییابد. این خاصیت درلایه TiO2 را می توان با اضافه کردن ذرات بزرگتر TiO2 به ذرات کوچکتر که در حد 20 نانومتر هستند در هنگام ساخت و تهیه لایه ایجاد کرد. اما ذرات بزرگ تر سطح مؤثر کمتری دارند و در نتیجه تعداد رنگدانههایی که میتوانند جذب آنها شوند کاهش مییابد. شبیه سازی الکترود TiO2 در این سلول های پیش بینی می کند ترکیب مناسب ذرات کوچک 20 نانومتری و بزرگ 250-300 نانومتری از TiO2 که مراکز اصلی پراکندگی در لایه را ایجاد می کنند باعث بهبود چشمگیری در عملکرد سلول می شود در واقع از یک لایه پراکننده که ابعاد ذرات آن حدود 400 نانومتر است استفاده می شود در این لایهی پراکننده انعکاس چند باره نور در ناحیه کم انرژی (nm 900-650 ) آن باعث افزایش جذب نور می شود و در نتیجه پاسخ به نور تابشی را بهبود می بخشد که اثر آن را می توان در طیف جذب مشاهده کرد.
1-2-2-الکترولیت اکسایشی – کاهشی
الکترولیت محلولی شامل یون های آزاد است ومانند محیط رسانا عمل می کند . الکترولیت مورد استفاده در این نوع سلول ها شامل یون های اکسایشی – کاهشی I-/I3- است واین ها دایماً درون ساختار الکترولیت با آزاد کردن و گرفتن الکترون مطابق با معادلهی ( ‏1 1 ) به هم تبدیل می شوند تا الکترون ها به کمک آن ها بتوانند بین فتوآند و کاتد جابه‌جا شوند.
( ‏1 1 )
3I- I3- + 2e-
همچنین ترکیبی از یداید مانند یدید لیتیم ،یدید سدیم ، یدید پتاسیم با غلظت 1/0 تا 5/0 مولار از I2 که در محلول غیر-پروتونی مانند استونیتریل حل شده است، بکار رفته است. مقدار کاتیون های یداید مانند Li+، Na+ و K+ هدایت الکترولیت را تحت تأثیر قرار می دهند و میزان جذب یون های مختلف روی سطح TiO2 تغییر می کند و منجربه جابه جایی تراز رسانش TiO2 می شود. این عوامل در کارکرد سلول خورشیدی تأثیرگذار است . ویسکوزیته محلول اثر مستقیمی در رسانش یونی الکترولیت دارد، هر چقدر گرانروی پایین تر باشد بهتر است و در کارکرد سلول تأثیر به سزایی دارد. از میان حلالها نیتریلها هستند که گرانروی پایینی داشته و هدایت یونی بالایی را فراهم می کنند.
1-2-3-الکترود کاتد
این الکترود باید دارای خاصیت الکتروکاتالیستی بالایی باشد و بتواند یون های اکسید شده I3- را به I- و بالعکس تبدیل کند. در نتیجه چون این الکترودها نقش کاهشی یون های اکسید شده را دارد باید کاهش با نرخ مناسبی بر سطح این الکترود صورت بگیرد بدین ترتیب بهترین الکترود ،پوششی از پلاتین بر روی FTO است با ضخامتی در حدود 200 نانومتر میباشد.
1-2-4-مکانیسم انتقال بار در سلولهای حساس شده با رنگدانه
ابتدا فوتون توسط مولکول رنگدانه جذب و یک الکترون را از حالت پایه رنگ S0 به حالت برانگیخته یعنی S* میبرد. (جذب نور)
) ‏1 2 )
S+hυ S^*
الکترون برانگیخته شده به باند هدایت TiO2 تزریق میشود و مولکول رنگ به حالت اکسید شده در میآید(S+). (تزریق الکترون)
( ‏1 3 )
S^* S^++e^- (TiO_2)
الکترون برانگیخته به داخل ساختار نانوکریستال TiO2 نفوذ میکند و از طریق لایه اکسید نیمههادی به زیر لایهی رسانا منتقل میشود و سرانجام از طریق مدار خارجی به الکترود مقابل انتقال مییابد.
الکترود مقابل الکترون را به الکترولیت انتقال میدهد و تری یدید موجود در الکترولیت تبدیل به یدید شده و با کاهش رنگ اکسایش یافته توسط الکترولیت رنگ بار دیگر احیا شده و سیکل به پایان میرسد.