بررسی تجربی تأثیر رنگدانه‌های طبیعی بر عملکرد سلول‌های خورشیدی مبتنی نانوساختار نانوذرات/نانوسیم‌های دی‌اکسید تیتانیوم

عظیمی, جواد; کیانی, غلامرضا; کریم زادقویدل, ایوب; مهدوی نیا, مهسا

doi:10.48301/kssa.2022.329406.2007

بررسی تجربی تأثیر رنگدانه‌های طبیعی بر عملکرد سلول‌های خورشیدی مبتنی نانوساختار نانوذرات/نانوسیم‌های دی‌اکسید تیتانیوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسندگان

¹ دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه مهندسی نانوفناوری، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران.

² دانشیار، گروه شیمی آلی و بیوشیمی، دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران.

³ عضو هیئت علمی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، تهران، ایران.

⁴ دانشجوی دکتری، گروه شیمی آلی و بیوشیمی، دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران.

10.48301/kssa.2022.329406.2007

چکیده

برای بهرهمندی کامل از خصوصیات رنگدانهها، لازم است تا سلولها با ساختار نانویی در دسترس باشند؛ زیرا در این صورت به دلیل نسبت بالای سطح به حجم، می‌توان برهم‌کنش بهتری بین رنگ‌دانه و زمینه ایجاد کرد. هدف از این تحقیق، بررسی تجربی تأثیر رنگدانههای طبیعی بر کارکرد سلول خورشیدی مبتنی‌بر ساختار نانویی نانوذرات/نانوسیمهای دیاکسید تیتانیوم است. بدین منظور، ساختار ابتکاری نانویی، تولید و از سه رنگدانه طبیعی زعفران، زردچوبه و روناس به دلیل فراوانی، در دسترس بودن، سازگاری با محیطزیست، بیخطر بودن و فراوری آسان به‌عنوان حساسکننده استفاده شد. طیف جذبی رنگدانهها توسط دستگاه اسپکتروفتومتر بررسی شدند. طول موج بیشینه برای رنگدانه های زعفران، زردچوبه و روناس به‌ترتیب 510، 500 و 460 نانومتر به‌دست آمد. ریزساختار فوتوآند با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی بررسی شد. مشخصهیابی و عملکرد سلول خورشیدی توسط دستگاه شبیهساز سلول خورشیدی انجام شد. آنالیزهای میکروسکوپی نشان داد ترکیب نانوذرات و نانوسیم‌های دیاکسید تیتانیوم، ساختاری متخلخل با نسبت سطح به حجم بالا ایجاد میکند که تأثیر به‌سزایی را در میزان جذب رنگدانه و راندمان سلول خورشیدی ایفا می‌کند. ایجاد مسیرهای کوتاهتر انتقال الکترون، تسهیل انتقال الکترون به تراز هدایت نیمهرسانا و کاهش واکنشهای نوترکیبی، از مزایای مهم این ساختار محسوب می‌شوند. همچنین ارزیابیها نشان داد، رنگدانه روناس با بهبود بازده 04/4 درصدی نسبت به سایر رنگدانههای موجود، عملکرد مطلوبتری را در بهبود کارایی ساختار سلول خورشیدی مبتنی‌بر نانوذرات/نانوسیمهای دیاکسید تیتانیوم داشته است.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.23829796.1401.19.3.9.9

موضوعات

ساخت و تولید

عنوان مقاله [English]

Experimental Study of the Effects of Natural Dyes on the Function of Solar Cells Based on the Nanostructure of Nanoparticle/TiO2 Nanowires

نویسندگان [English]

Javad Azimi ¹
Gholamreza Kiani ²
Ayub Karimzad Ghavidel ³
Mahsa Mahdavinia ⁴

¹ MSc, Department of Nanotechnology Engineering, Faculty of Electrical and Computer Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran.

² Associate Professor, Department of Organic Chemistry and Biochemistry, Faculty of Chemistry, University of Tabriz, Tabriz, Iran.

³ Faculty Member, Department of Mechanical Engineering, Technical and Vocational University (TVU), Tehran, Iran.

⁴ PhD Student, Department of Organic Chemistry and Biochemistry, Faculty of Chemistry, University of Tabriz, Tabriz, Iran.

چکیده [English]

To take full advantage of the properties of dyes, nanostructured solar cells should be available because in this case a better interaction between the dye and the background can be created due to the high surface-to-volume ratio. The aim of this research was the experimental investigation of natural dyes influence on the function of solar cells based on nanostructure of TiO2 nanoparticle/nanowires. For this purpose, an innovative nanostructure was fabricated, and three natural dyes of saffron, turmeric and rubia-tinctorum were used as a sensitizer due to their abundance, availability, environmental compatibility, safety and easy processing. The absorption spectra of the dyes were examined by a spectrophotometer. The absorbance peak for saffron, turmeric and rosin pigments were obtained at 510, 500 and 460 nm, respectively. The photoanode’s morphology was investigated by a scanning tunneling microscope. The characterization and performance of solar cells were carried out by the solar simulator device. The microscopic analysis showed that the composition of nanoparticles and nanowires of TiO2 builds the porous structure with large surface-to-volume ratio, playing a great role in the amount of dye absorption and efficiency of solar cells. Generation of short electron transfer path, facilitating the transfer of electrons to semiconductor conductive band, and reducing recombination reactions were the main advantages of this structure. The evaluations also showed that rubia-tinctorum dye performed better in enhancing the efficiency of solar cells based on TiO2 nanoparticles/nanowires, improving efficiency by 4.04% compared to other available dyes.

کلیدواژه‌ها [English]

Dye
sensitized solar cells Nanostructure TiO2 Nanoparticles TiO2 Nanowires Natural dye

مراجع

[1] Barghi Jahromi, M. S., Kamali, K., & Sefid, M. (2021). Energy and exergy analysis of a direct solar steam power plant with solar parabolic concentrator for Yazd city with several water preheaters. Karafan Quarterly Scientific Journal, 19(1), -. https://doi.org/10.483 01/kssa.2021.287183.1540

[2] Ikpesu, J. E., Iyuke, S. E., Daramola, M., & Okewale, A. O. (2020). Synthesis of improved dye-sensitized solar cell for renewable energy power generation. Solar Energy, 206(7), 918-934. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.05.002

[3] Mohiuddin, O., Obaidullah, M., & Sabah, C. (2018). Improvement in dye sensitized solar cells from past to present. Optical and Quantum Electronics, 50(10), 377. https://d oi.org/10.1007/s11082-018-1647-1

[4] Sharma, S., Bulkesh, S., Ghoshal, S. K., & Mohan, D. (2017). Dye sensitized solar cells: From genesis to recent drifts. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 70, 529-537. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.11.136

[5] Sharma, K., Sharma, V., & Sharma, S. S. (2018). Dye-Sensitized Solar Cells: Fundamentals and Current Status. Nanoscale Research Letters, 13(1), 1-46. https://doi.org/10.1186/s11 671-018-2760-6

[6] Al Bin saleh, H., Abd El-Lateef, H. M., & Bakir, E. (2022). Simple development of eco-friendly dye-sensitized solar cells via controlling thickness of TiO2 nanoparticles and viscosity of electrolyte: Experimental study and DFT calculations. Inorganic Chemistry Communications, 140, 109472. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2022.1 09472

[7] Kumara, N. T. R. N., Lim, A., Lim, C. M., Petra, M. I., & Ekanayake, P. (2017). Recent progress and utilization of natural pigments in dye sensitized solar cells: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 78, 301-317. https://doi.org/10.1016/ j.rser.2017.04.075

[8] Ludin, N. A., Al-Alwani Mahmoud, A. M., Bakar Mohamad, A., Kadhum, A. A. H., Sopian, K., & Abdul Karim, N. S. (2014). Review on the development of natural dye photosensitizer for dye-sensitized solar cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 31, 386-396. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.12.001

[9] Boymirzaev, A., & Yokubbayev, A. A. (2021). Recent Advances In Dye-Sensitized Solar Cells Using Plant Pigments. Theoretical & Applied Science, 97(5), 146-149. https://doi .org/10.15863/TAS.2021.05.97.27

[10] Kokal, R. K., Bhattacharya, S., Cardoso, L. S., Miranda, P. B., Soma, V. R., Chetti, P., Melepurath, D., & Raavi, S. S. K. (2019). Low cost ‘green’ dye sensitized solar cells based on New Fuchsin dye with aqueous electrolyte and platinum-free counter electrodes. Solar Energy, 188, 913-923. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.06.066

[11] Zeng, K., Tong, Z., Ma, L., Zhu, W.-H., Wu, W., & Xie, Y. (2020). Molecular engineering strategies for fabricating efficient porphyrin-based dye-sensitized solar cells. Energy & Environmental Science, 13(6), 1617-1657. https://doi.org/10.1039/C9EE04200H

[12] Gong, J., Sumathy, K., Qiao, Q., & Zhou, Z. (2017). Review on dye-sensitized solar cells (DSSCs): Advanced techniques and research trends. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 68, 234-246. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.09.097

[13] Anbarasan, P., Priyadharsini, C. I., Sathiyapriya, R., Hariharan, V., Parabakaran, K., & Aroulmoji, V. (2019). Development of TiO2 Nanomaterials and Dyes Selection (using DFT) for DSSC Applications–A Stepwise Review. International journal of advanced Science and Engineering, 6(02), 1326-1350. https://doi.org/10.29294/IJ ASE.6.2.2019.1326-1350

[14] Kushwaha, R., Srivastava, P., & Bahadur, L. (2013). Natural Pigments from Plants Used as Sensitizers for TiO2 Based Dye-Sensitized Solar Cells. Journal of Energy, 2013(11), 1-8. https://doi.org/10.1155/2013/654953

[15] Dumbravă, A., Georgescu, A., Damache, G., Badea, C., Enache, I., Oprea, C., & Gîrţu, M. (2008). Dye-sensitized solar cells based on nanocrystalline TiO2 and natural pigments. Journal Of Optoelectronics And Advanced Materials, 10(11), 2996-3002.

[16] Bartolotta, A., & Calogero, G. (2020). Dye-sensitized solar cells: from synthetic dyes to natural pigments. In Solar Cells and Light Management. ‎ Elsevier. https://doi.or g/10.1016/B978-0-08-102762-2.00004-5

[17] Urbani, M., Ragoussi, M-E., Nazeeruddin, M. K., & Torres, T. (2019). Phthalocyanines for dye-sensitized solar cells. Coordination Chemistry Reviews, 381, 1-64. https://doi.org/10. 1016/j.ccr.2018.10.007

[18] Omar, A., Ali, S., & Abd Rahim, N. (2020). Electron transport properties analysis of titanium dioxide dye-sensitized solar cells (TiO2-DSSCs) based natural dyes using electrochemical impedance spectroscopy concept: A review. Solar Energy, 207(4), 1088-1121. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.07.028

[19] Liang, Y., Wu, Y., Feng, D., Tsai, S-T., Son, H-J., Li, G., & Yu, L. (2009). Development of New Semiconducting Polymers for High Performance Solar Cells. Journal of the American Chemical Society, 131(1), 56-57. https://doi.org/10.1021/ja808373p

[20] Kohn, S., Großerhode, C., Storck, J. L., Grötsch, G., Cornelißen, C., Streitenberger, A., Grassmann, C., Schwarz-Pfeiffer, A., & Ehrmann, A. (2019). Commercially available teas as possible dyes for dye-sensitized solar cells. Optik, 185, 178-182. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.03.128

[21] Yang, C-H., Chen, P-Y., Chen, W-J., Wang, T-L., & Shieh, Y-T. (2013). Spectroscopic evidences of synergistic co-sensitization in dye-sensitized solar cells via experimentation of mixture design. Electrochimica Acta, 107, 170-177. https://doi.org/10.1016/j.electacta. 2013.05.062

[22] Sanda, M. D., Badu, M., Awudza, J., & Boadi, N. (2021). Development of TiO 2-based dye-sensitized solar cells using natural dyes extracted from some plant-based materials. Chemistry International, 7(1), 9-20. https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id= 3693716

[23] Kwak, E. S., Lee, W., Park, N-G., Kim, J., & Lee, H. (2009). Compact Inverse-Opal Electrode Using Non-Aggregated TiO2 Nanoparticles for Dye-Sensitized Solar Cells. Advanced Functional Materials, 19(7), 1093-1099. https://doi.org/10.1002/adfm.200801 540

[25] Sasahara, A., Pang, C. L., & Onishi, H. (2006). STM Observation of a Ruthenium Dye Adsorbed on a TiO2(110) Surface. The Journal of Physical Chemistry B, 110(10), 4751-4755. https://doi.org/10.1021/jp0562882

[25] Rajaee, M. (2017). Modeling and optimizing the CIGS thin film cell structure to increase efficiency. Karafan Quarterly Scientific Journal, 14(2), 81-94. https://kar afan.tvu.ac.ir/article_100506_1bb3825c5c742b45c4a64c1ceb6eb803.pdf

[26] Chikate, B. V., Sadawarte, Y., & Sewagram, B. (2015). The factors affecting the performance of solar cell. International Journal of Computer Applications, 1(1), 0975-8887. https://cit eseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.742.1259&rep=rep1&type=pdf