فرآیند ساخت سلول خورشیدی پروسکایت

سلول‌ خورشیدی پروسکایتی به علت پیشرفت خیلی سریع و دستیابی به بازده بسیار بالا و همچنین روش ساخت آسان و کم هزینه، نظر محققین بسیاری را در سراسر دنیا به خود جلب کرده است. مواد اولیه و روش‌های ساخت این نوع سلول بسیار متنوع و گسترده است. اما از این بین، می‌توان یک روش ساخت واحد را  برای این سلول‌ها پیدا کرد. روشی که در این‌جا توضیح داده می‌شود، برای ساختار زیر است:

FTO/ Block TiO₂/Mesoporous TiO₂/perovskite (CH₃NH₃PbI₃)/spiro-OMeTAD/Au

شکل 1 ساختار استاندارد یک سلول خورشیدی پروسکایتی

روش ساخت:

– آماده‌سازی زیرلایه

ابتدا لازم است، برای جلوگیری از اتصال کوتاه، سطحی برابر با یک سوم زیرلایه اچ شود تا در این قسمت لایه‌ی FTO از روی شیشه پاک شود. برای این کار، از پودر زینک و محلول HCl دو مولار استفاده می‌شود. بدین صورت که ابتدا پودر به میزان کم روی قسمت مورد نظر ریخته می‌شود و سپس یک قطره (بسته به میزان سطح مورد نظر) از اسید چکانده می‌شود. بعد از انجام واکنش و از بین رفتن FTO، سلول با آب دیونیزه شستشو داده می‌شود. به منظور جلوگیری از پخش اسید و پودر زینک و خوردگی سایر قسمت‌های FTO، می‌توان از چسب استفاده کرد.

بعد از عملیات اچ کردن، نوبت به شستشوی زیرلایه یا FTO ها می‌رسد. از آن‌جا که این سلول‌ها به شدت به آلودگی حساس هستند، این مرحله بسیار مهم است. مراحل شستشو به صورت زیر است.

FTO ها در آب و صابون شستشو داده و به مدت ۱۰ دقیقه در حمام التراسونیک قرار داده می‌شوند. سپس همین کار به ترتیب در محلول‌های استون، اتانول و ایزوپروپانول انجام می‌شود. البته در بین هر مرحله می‌توان زیرلایه‌ها را در آب داغ دیونیزه شستشو داد. برای شستشوی نهایی نیز بهترین گزینه استفاده از دستگه UV-Ozone است.

– لایه فشرده TiO₂

لایه فشرده اکسید تیتانیوم، لایه­ای پیوسته و با حداکثر ضخامت ۹۰ نانومتر است که بر روی تمام شیشه به جز قسمتی که از لایه‌ی FTO که به عنوان الکترود استفاده می‌شود، پوشش­داده­ می‌شود. دو محلول حاوی اتانول، TTIP و HCl با هم ترکیب شده، از فیلتر سلولوزی عبور داده می‌شوند و بر روی شیشه با استفاده از دستگاه لایه نشانی دورانی (spin coat) اعمال می‌شوند. بعد از اعمال، این لایه معمولا در ۱۲۵ درجه سانتی‌گراد خشک شده و در ۵۰۰ درجه به مدت ۳۰ دقیق آنیل می‌شود.

توجه داشته باشید که اتانول در همه مواردی که در سلول استفاده می‌شود باید بدون آب  با خلوص بالا باشد.

– لایه مزوپروس  TiO₂

برای تهیه سوسپانسیون این لایه از خمیر دی‌اکسید تیتانیوم و اتانول با نسبت‌های مختلف استفاده می‌شود. در مقاله‌ها، این دو ماده با نسبت‌های مختلف ۱ به ۶، ۱ به ۸، ۱ به ۱۳ و نسبت‌های دیگر مخلوط می‌شوند. ماده بدست آمده پس از مخلوط شدن (با استفاده از استیرر) برای مدت ۲ دقیقه در حمام التراسونیک قرار داده می‌شود. سپس می‌توان با استفاده از دستگاه لایه‌نشانی دورانی آن ‌را اعمال کرد. بعد از لایه نشانی، مانند لایه فشرده TiO₂، در ۱۲۵ درجه خشک و در ۵۰۰ درجه به مدت ۳۰ دقیقه آنیل می‌شود.

– لایه Perovskite

محققین برای ساخت این لایه اغلب از دو روش استفاده می‌کنند. روش ساخت لایه پروسکایت تک مرحله‌ای و دو مرحله‌ای. البته، پژوهشگران توانسته‌اند با ترکیب این روش‌ها با روش‌‌های دیگری مانند VASP نیز بازده‌های بالا و قابل  قبولی را ارئه دهند. در این‌جا، ما به توضیح روش دو مرحله‌ای (شکل 2) که استفاده از آن بسیار رایج است، می‌پردازیم.

تهیه محلول PbI₂: ابتدا مقدار مشخصی از PbI₂ و DMF (به عنوان حلال) برای تهیه محلول با مولاریته مشخص با هم ترکیب شده و برای مدت ۱ ساعت در دمای ۸۰ تا ۱۰۰ درجه بر روی استیرر قرار داده می‌شود تا محلولی کاملا شفاف حاصل شود.  بهتر است از مرحله تولید PbI₂ تمامی مواد و فرآیندها (به منظور جلوگیری از ورود رطوبت و اکسیژن و درنتیجه کاهش پایداری سلول‌ها) در گلاوباکس انجام شود. محلول مورد نظر با استفاده از دستگاه اسپین کوت بر روی زیرلایه، لایه نشانی شده و در دمای ۸۰ تا ۱۲۰ درجه آنیل می‌شود.

سپس برای تهیه محلول متیل آمونیوم یدید (MAI)، بسته به تعداد نمونه‌ها، مقدار مورد نیاز از پودر MAI (سفید رنگ) برداشته و در حالی که بر روی استیرر است، حلال ایزوپروپانول بدون آب، قطره قطره تا رسیدن به غلظت مورد نظر، به آن اضافه می‌شود. در ادامه برای لایه نشانی این محلول، از روش غوطه‌وری استفاده می‌شود. در این روش، ابتدا زیرلایه در محلول MAI تهیه شده غوطه ور شده (تا زمانی که لایه‌ی قهوه‌ای رنگ روی آن تشکیل شود) و سپس در محلول ایزوپروانول برای چند ثانیه غوطه‌ور می‌شود.  بعد از آن نمونه سریع بر روی اسپین کوت قرار داده شده و برای حدود ۲۰ ثانیه با دور و سرعت مشخص خشک می‌شود. سپس، برای آنیل نهایی، در دمای ۸۰ تا ۱۲۰ درجه قرار داده می‌شود.

شکل 2 لایه نشانی دومرحله‌ای لایه پروسکایت.

– لایه انتقال‌دهنده حفره

در ساخت این لایه، سلول‌های ساخته شده با ماده spiro-OMeTAD برای لایه انتقال دهنده حفره، معمولا بالاترین بازده را داشته‌اند. البته این ماده بسیار گران است و پایداری سلول را تحت تاثیر قرار می‌دهد. در این‌ روش ساخت، به توضیح لایه نشانی اسپایرو به عنوان لایه انتقال دهنده حفره پرداخته می‌شود.

این لابه با استفاده از اسپایرو (Spiro) محلول در کلرو بنزن، تهیه می‌شود. برای تهیه‌ی محلول مورد نظر دو محلول لازم است. برای ساخت محلول 1، پودر Spiro-OMeTAD  و حلال‌های کلروبنزن و 4-Tert.butylpyridine  با هم ترکیب می‌شوند. برای ساخت محلول 2، استونیتریل قطره قطره به پودر Bis(trifluoromethane) sulfonamide lithium salt اضافه می‌شود.

بعد از ساخت هر دو محلول، مقدار مشخصی از محلول دوم به محلول اول اضافه می‌شود و سپس محلول نهایی  به مدت 30 دقیقه در دمای ℃60 در حال هم زدن بر روی استیرر قرار داده می‌شود. بعد از این مرحله،  محلول توسط فیلتر با اندازه‌ی ۰٫۴۵ میکرومتر فیلتر می‌شود. برای اعمال لایه، مقدار مشخصی از محلول بر روی نمونه (FTO/Block TiO₂/Mesoporous TiO₂/ Perovskite) ریخته و لایه نشانی توسط دستگاه اسپین کوت انجام می‌شود.

– لایه‌نشانی الکترود طلا

لایه طلا به دلیل تابع کار و سطح انرژیeV 1٫5 (در کنار لایه اسپایرو با سطح انرژیeV 2٫5) گزینه بسیار مناسبی در این نوع از سلول­های خورشیدی می­باشد. این لایه با روش لایه نشانی تبخیر حرارتی لایه نشانی می‌شود.