• شماره ركورد
    24019
  • شماره راهنما
    NANO2 113
  • عنوان

    بررسي عملكرد سلول¬هاي خورشيدي پروسكايتي برپايه ساختار اپال معكوس تيتانيا در شكافت فوتوالكتروشيميايي آب

  • مقطع تحصيلي
    كارشناسي ارشد
  • رشته تحصيلي
    نانو شيمي
  • دانشكده
    شيمي
  • تاريخ دفاع
    1403/06/28
  • صفحه شمار
    118
  • استاد راهنما
    رضا كشاورزي
  • كليدواژه فارسي
    شكافت فوتوالكتروشميايي آب , سلول¬هاي خورشيدي پروسكايتي , لايه انتقال دهنده الكترون , اپال معكوس تيتانيم دي¬ اكسيد , تيتانيوم دي اكسيد مزومتخلخل قالب گيري شده , سلول خورشيدي جفت شده پروسكايت/سيليكون
  • چكيده فارسي
    باتوجه به استفاده روزافزون از سوخت¬هاي فسيلي، بهره¬وري از انرژي خورشيدي به عنوان منبعي تجديدپذير، در سلول¬هاي خورشيدي پروسكايتي و شكافت فوتوالكتروشيميايي آب به عنوان روشي پاك و پايدار براي توليد هيدروژن، بسيار مورد توجه قرار گرفته¬است. پروسكايت هاليد معدني CsPbBr3 كه يكي از اميدواركننده¬ترين پروسكايت¬ها براي شكافت آب است، جذب نور زيادي در ناحيه مرئي ندارد و در حضور مولكول¬هاي آب ناپايدار است. در اين كار تحقيقاتي از اپال معكوس تيتانيم دي¬اكسيد دركنار پروسكايت CsPbBr3 به منظور افزايش جذب نور استفاده¬شد. از سوي ديگر، با تغيير در ساختار لايه انتقال¬دهنده الكترون، عبور نور از آن و در نتيجه بازده نور جمع¬آوري شده توسط پروسكايت افزايش يافت. در اين راستا، لايه TiO2 مزومتخلخل قالب¬گيري شده به صورت ساختار منظم و نامنظم به عنوان لايه انتقال دهنده الكترون به دو روش لايه¬نشاني چرخشي و غوطه¬وري تهيه و مورد ارزيابي قرار گرفت. اين نوع از ساختارها به ويژه ساختارهاي داراي حفره منظم به دليل اتصال بهتر با لايه اپال معكوس و عبور نوري بيشتر، عملكرد بهتري در مقايسه با لايه¬هاي متخلخل قالب¬گيري نشده از خود نشان دادند. از سوي ديگر به منظور افزايش پايداري پروسكايت در برابر آب، يك لايه كربني محافظ از مخلوط گرافيت، كربن سياه و چسب مايه به عنوان بهترين لايه انتقال دهنده حفره انتخاب شد. براي مشخصه¬يابي لايه¬ها از آناليزهاي XRD،¬FE-SEM ،TEM ، PL، IPCE، EIS، پايداري، زاويه تماس، UV-vis، اندازه¬گيري مقاومت لايه و نقشه عنصري استفاده¬شد. سپس عملكرد ساختارهاي حاصل در سلول خورشيدي پروسكايتي و همچنين شكافت فوتوالكتروشيميايي آب مورد بررسي قرار گرفت. در نهايت به منظور افزايش بيشتر عملكرد و تامين اضافه ولتاژ براي شكافت آب، يك ماژول خورشيدي سيليكوني به بهترين فوتوالكترودهاي طراحي شده جفت گرديد. در اين راستا، بالاترين چگالي جريان¬ نوري اتصال كوتاه 18/4 ميلي¬آمپر بر سانتي¬متر مربع در سلول خورشيدي در حضور لايه اپال معكوس TiO2 و لايه متخلخل نامنظم قالب¬گيري نشده و كمترين جريان اتصال كوتاه 99/1 ميلي¬آمپر بر سانتي¬متر مربع براي ساختار بدون اپال معكوس بدست آمد. سپس، به منظور اتصال بهتر لايه اپال معكوس با لايه انتقال دهنده الكترون از TiO2 مزومتخلخل قالب¬گيري شده منظم و مزومتخلخل قالب¬گيري شده نامنظم براي لايه انتقال دهنده الكترون تهيه شده به روش¬هاي غوطه¬وري و چرخشي استفاده شد. در اين راستا، بيشترين دانسيته جريان اتصال كوتاه 03/6 ميلي¬آمپر بر سانتي¬متر مربع و حداكثر بازدهي برابر با 32/5 درصد براي لايه انتقال دهنده الكترون حاوي حفرات منظم تهيه شده با روش غوطه¬وري و اتصال يافته به لايه اپال معكوس حاصل شد. بالاترين جريان¬هاي نوري 38/6 ميلي¬آمپر بر سانتي متر مربع در 23/1 ولت نسبت به RHE در شكافت فوتوالكتروشيميايي آب با استفاده از اپال معكوس TiO2 بر روي زير لايه متخلخل قالب¬گيري شده منظم تهيه شده به روش غوطه¬وري بدست آمد. در نهايت، فوتوالكترودهاي حاصل در شكافت آب با ماژول خورشيدي سيليكوني به صورت موازي جفت شد و بيشينه جريان¬ نوري 75/10 ميلي¬آمپر بر سانتي متر مربع را در ولتاژ صفر و جريان¬ 90/56 ميلي¬آمپر بر سانتي متر مربع را در 23/1 VRHE = براي فوتوالكترود حاوي اپال معكوس اتصال يافته به تيتانياي منظم تهيه شده به روش غوطه¬وري و جفت شده با ماژول سيليكوني حاصل شد كه بهترين نتايج گزارش شده براي استفاده از ساختارهاي پروسكايتي CsPbBr3 در شكافت فوتوالكتروشيميايي آب تاكنون است.
  • كليدواژه لاتين
    Photoelectrochemical (PEC) water splitting , Perovskite solar cells (PSCs , Electron transport layer (ETL) , Inverse opal TiO¬2 (IOT) , ), Templated mesoporous TiO2 , Perovskite/silicon coupled solar cell
  • عنوان لاتين
    Investigating the performance of perovskite solar cells based on titania inverse opal structure in the photoelectrochemical water splitting
  • گروه آموزشي
    نانو فناوري
  • چكيده لاتين
    Due to the increasing reliance on fossil fuels, significant attention has been directed toward enhancing the efficiency of solar energy as a renewable source. Among photovoltaic technologies, perovskite solar cells have garnered interest for achieving high efficiency with relatively low production costs. Concurrently, photoelectrochemical water splitting offers a clean and sustainable method for hydrogen production. This process uses solar energy to split water into hydrogen and oxygen, positioning hydrogen as a promising clean fuel. One of the most promising perovskites for water splitting is mineral halide perovskite CsPbBr3; however, this material has limitations, such as minimal light absorption in the visible region and instability when exposed to water molecules. To address these issues, the integration of titanium dioxide (TiO2) reverse opal structures with CsPbBr3 perovskites has been explored to enhance light absorption, leveraging the unique structure of reverse opal TiO2. In this study, inverted opal layers were employed to improve optical efficiency. Structural modifications to the electron transfer layer further increased light transmission, thereby enhancing the efficiency of light collection by the perovskite. Specifically, mesoporous TiO2 layers in both regular and irregular forms were fabricated and eva‎luated as electron transfer layers using spin-coating and immersion deposition methods. The results demonstrated that structured layers with regular pores exhibited superior performance compared to non-molded porous layers, owing to better integration with the reverse opal layer and enhanced optical transmission. To improve the stability of perovskite in the presence of water, a protective carbon-based hole transport layer, composed of graphite, carbon black, and binder, was selected. The fabricated layers were characterized using X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), contact angle measurements, UV-visible spectroscopy, and sheet resistance analysis. Following this, the performance of the developed structures in both perovskite solar cells and photoelectrochemical water splitting was investigated. To further enhance performance and increase the overvoltage required for water splitting, the best-designed photoelectrodes were coupled with a silicon solar module. The highest short-circuit photocurrent density of 18.4 mA/cm² was obtained in a solar cell with a TiO2 inverse opal layer and an irregular porous layer, while the lowest short-circuit current of 1.99 mA/cm² was recorded for structures lacking the inverse opal layer. To improve the connection between the reverse opal layer and the electron transfer layer, both regular and irregular mesoporous TiO2 structures were tested. The electron transfer layer with regular pores, prepared via immersion, achieved the highest short-circuit current density of 6.03 mA/cm² and an efficiency of 5.32%. In the context of photoelectrochemical water splitting, the highest photocurrent of 6.38 mA/cm² at 1.23 V vs. the reversible hydrogen electrode (RHE) was achieved using a TiO2 inverse opal structure on a regular mesoporous substrate, prepared by the immersion method. Finally, the photoelectrodes developed for water splitting were coupled with the silicon solar module, resulting in a maximum photocurrent of 10.75 mA/cm² at zero voltage and 56.90 mA/cm² at VRHE = 1.23 V. These results represent the best performance reported to date for CsPbBr3 perovskite structures used in photoelectrochemical water splitting.
  • تعداد فصل ها
    3
  • فهرست مطالب pdf
    77197
  • نويسنده

    حاجي شريفي، فرزانه