منسوجات انعطاف پذیر فتوولتائیکی جهت کاربردهای هوشمند

1393/9/9
14:43
کد خبر: 2429
مدآنلاینطراحیطراحانطرح و ایده منسوجات انعطاف پذیر فتوولتائیکی جهت کاربردهای هوشمند


 روش‌های تولید مواد فتوولتائیک

چکیده

با توجه به رشد روزافزون جمعیت در جهان و به دنبال آن کاهش منابع انرژی، محققان و پژوهشگران در صنایع مختلف به دنبال روش‌های جایگزینی انرژی‌های تجدیدپذیر با منابع تجدیدناپذیر هستند. در این میان انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع تجدید پذیر، ارزان قیمت، در دسترس و سازگار با محیط زیست، توانسته توجه بسیاری از محققان را به خود جلب نماید. یکی از کاربردهای مهم انرژی خورشیدی در صنعت، تولید سلول‌های خورشیدی است که قادرند انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریسیته تبدیل کنند. با توجه به اینکه سلول‌های خورشیدی دارای مشکلاتی همچون قیمت بالا، وزن زیاد، عدم انعطاف‌پذیری و ... هستند، تولید منسوجاتی که قابلیت تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریسیته را دارند،  می‌تواند گامی مهم در تولید و توسعه سلول‎‌های خورشیدی و به طور کلی منسوجات هوشمند به شمار آید.

کلمات کلیدی: منابع تجدیدپذیر،  انرژی خورشیدی، سلول‌های خورشیدی،  منسوجات هوشمند

مقدمه

تحقیقات انجام شده حاکی از آن است که جهان در آینده با بحران انرژی مواجه خواهد بود. افزایش تقاضا برای سوخت‌های فسیلی و اتمام قریب‌الوقوع این منابع و به‌ دنبال آن پیش‌بینی افزایش قیمت جهانی انرژی به دلیل محدودیت منابع فسیلی، جهان را با بحران انرژی رو به‌رو ساخته است. از سوی دیگر، چنانچه روند فعلیِ استفاده از سوخت‌های فسیلی ادامه یابد، پیامدهای روزافزون و منفی ناشی از مصرف گسترده این انرژی موجب انتشار مواد آلاینده، افزایش گازهای گلخانه‌ای، تسریع فرایند تغییرات آب‌و هوا در جهان و تشدید پدیده گرمایش زمین خواهد شد که همگی این عوامل اهمیت و ضرورت تغییر سیستم فعلی تولید و مصرف انرژی و جایگزینی آن با منابع انرژی‌های تجدیدپذیر را نمایان می‌کند.

با توجه به این مسائل، در سال­های اخیر تلاش­های زیادی در جهت جایگزینی انرژی‌های تجدیدپذیر با سوخت‎های فسیلی انجام شده است و یکی از انرژی­هایی که توانسته در این زمینه توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کند، انرژی خورشیدی است که یکی از کاربردهای مهم این انرژی استفاده آن در سلول‌های خوشیدی است. سلول های خورشیدی که به آنها فتوولتائیک  نیز می­گویند (فتو به معنی نور و ولتاییک به معنی الکتریسیته) دارای یک یا چند میدان الکتریکی در خود هستند که باعث ایجاد ولتاژ الکتریکی می­شود .در یک سلول، پیوندها از الکترون تشکیل شده­اند و هنگامی­که نور به سطح سلول می­تابد، جذب می­شود. این نور باعث تحریک یکی از الکترون­ها در یکی از اتم­ها می‌شود و آن را به سطوح بالاتر انرژی هدایت می­کند. این الکترون با این انرژی و با استفاده از میدان الکتریکی موجود، در یک مسیر مشخص و با آزادی بیشتر نسبت به حالت قبلی که در بند بود، حرکت می­کند و حرکت آزادانه الکترون به معنای ایجاد جریان می­باشد.  با وصل کردن سیم مسی به بالا و پایین این سلول خورشیدی می­توان جریان تولید شده را به تسخیر درآورد.



تولید  سلول‌های فتوولتائیک آلی

اکسید قلع ایندیم(ITO)  به دلیل توانایی قابل توجه در انتقال نور، به عنوان یک  الکترود شفاف متداول در درون سلول‌های خورشیدی با پایه پلیمری به کار بردهمی­شود ولی از آنجایی که این الکترود بسیار گران قیمت  است و به طور کلی  شکننده تر از آن است که بتواند در بسترهایی از  منسوجات انعطاف پذیر قرار گیرد،از پلی( 3،4 اتیلن دی اکسید تیوفن) دوپ شده(اضافه شدن یک ماده شیمیایی به ماده شیمیایی دیگر) با پلی ( استایرن سولفونات) PEDOT:PSS، نانو تیوب کربنی و یا لایه های فلزی استفاده می­شود. تولید فتوولتائیک‌های آلی به دلیل ویژگی هایی مانند  هزینه کم و کاربرد آسان می­توانند درآینده، گامی موثر در جهت توسعه و گسترش منسوجات پلی ولتائیک(PV) برای استفاده درکاربردهای هوشمند به شمار آید.

نمونه‌ای از مراحل تولید منسوجات فتوولتائیک در شکل 1  نمایش داده شده است.




شکل 1- نمونه ای ازمراحل تولید منسوجات فتوولتائیک


با توجه به اینکه راندمان تبدیل  توان با کاهش سهم جانبی مقاومت سری بین سلول‌های فرعی  بهبود می­یابد، بنابراین از طریق پارتیشن بندی سطح فعال بوسیله معرفی کردن یک ساختار الگویی از دیوارهای پارتیشن بندی شده در درون دستگاه، می‌توان سهم مقاومت‌های سری را کاهش داد. به طور کلی می‌توان گفت که روش و الگوی کاربردی بصورت کارآمدی در ساخت و توسعه نسل بعدی دستگاه سلولی فتوولتائیک موثر است و قادر است با سطح وسیعی ازلایه­های نازک آلی به کار گرفته شود. تولید سلولهای فتوولتائیک آلی(PV)  با هزینه منطقی و قابل قبول از طریق دو تکنیک امکان پذیر است:


1- تکنیک پوشش دهی یا کوتینگ رول به رول

تکنیک مداوم لیتوگرافی چاپ نانو بصورت رول به رول  می­تواند راه حلی مناسب در جهت بهبود توان عملیاتی  چاپ الگوهایی در مقیاس نانو  و با سرعت‌های بالا به شمار آید. در این فرآیند،مساحتی به اندازه 4 اینچ از یک منسوج وب مانند انعطاف پذیر  با  استفاده از یک دستگاه توسعه یافته جدید که قادر به انجام چاپ رول به رول (R2RNIL) به کمک توری‌های نانو است، تحت عملیات چاپ مداوم قرار می‌گیرد. سپسالگوهای شبکه­ای با خط‌هایی به عرض 300 نانومتر با توان عملکردی بالا، که توسط تکنیک کوتینگ رول به رول فراهم می­آید به طور پیوسته بر روی بستر پلاستیکی انتقال پیدا می­کند. 

اتحادیه اروپا یک پروژه تحقیقاتی اروپایی با عنوان "HIFLEX" را با همکاری مرکز تحقیقات انرژی هلند(ECN)  به منظور تجاری‌سازی تکنیک رول به رول راه اندازی کرده است و با استفاده از این تکنیک تجاری و بادوام توانستهعلاوه بر تولید مقرون به صرفه فتوولتائیک­های نوری با مساحت زیاد (OPV)که با تکنیک‌های کوتینگ و چاپ سازگار هستند، فتوولتائیک‌های آلی(OPV)بسیار انعطاف‌پذیری را ایجاد نماید. با توجه به اینکه تکنیک فرآیند رول به رول(R2R) هنوز در مراحل اولیه خود قرار دارد ولی جنبه خلاقانه و جدید این تکنولوژی که به صورت رسوب و قرار گرفتن فیلم‌های نازک  بر روی سطح منسوج در سرعتهای خیلی بالا است، موجب کاهش هزینه و مقرون به صرفه بودن فرآیند تولید فتوولتائیک می‌شود. 


2- تکنیک رسوب فیلم نازک

شرکت­های متعددی در جهان ادعا کرده­اند که  فیلم­های فتوولتائیک نازکی را از سیلیکون آمورف(a-Si)،سلنید ایندیوم مس(CIGS)،تلورید کادمیوم(CdTe) و سلول­­های خورشیدی حساس به رنگ(DSSC)بصورت موفقیت آمیزی تولید نموده‌اند. فتوولتائیک‌هایی که از فیلم نازک تهیه می­شوند، بعد از اختراع تکنیک رسوب دهی با راندمان بالا،  مقرون به صرفه شدند. این تکنیک‌های رسوب دهی موجب تولید فتوولتائیک‌هایی با انعطاف پذیریبیشتر، جهت افزایش کارایی‌سلول، بازتاب و قدرت دی الکتریک،  عمل کردن به عنوان یک مانع جهت اطمینان از طول عمر و پایداری بالا فتوولتائیک‌های حاصل از فیلم نازک و ایجاد یک سد به منظور حفظ و نگهداری مواد شیمیایی این نوع  از فتوولتائیک‌ها شده‌اند.

شکل2 یک سلول آلی فتوولتائیک لیفی شکلکه از لایه های نازک متحدالمرکز تشکیل شده‌اند، را نشان می‌دهد. این لایه‌ها خود نیز، توسط ترکیبات آلی با مولکول‌های کوچک تولید شده‌اند

 

شکل2- نمایی از الیاف فتوولتائیک

(روکش فلزی شفاف، الکترود اولیه، لایه  انتقالی الکترون، لایه فعال، روکش فلزی رسانا، الکترود ثانویه)


تحقیقات انجام شده نشان دهنده راندمان تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته در الکترود فلزی نازک است که برابر با5/0%می‌باشد، در حالیکه این راندمان درسلول‌های فتوولتائیک آلی لیفی شکل به مقدار76/0% افزایش می‌یابد. این نتایج توانسته توجه بسیاری از محققان و پژوهشگران را به خود جلب نماید و باعث تحقیقات گسترده‌ای بر روی امکان بافت این الیاف و تبدیل آنها به  فرم پارچه گردیده است.



فتوولتائیک‌های حساس به رنگ

 تحقیقات جامعی بر روی الیاف فتوولتائیک  مبتنی بر الیاف  رنگ حساس پوشش داده شده با  تیتانوم دی اکسید  و تیتانیوم (TiO2) انجام شده است و توانسته افق‌های روشنی را برای کاربردهای جدید منسوجات فتوولتائیک بر روی بشر بگشاید. انسجام و چسبندگی لایه TiO2  بعد از عملیات بافندگی به عنوان یکی از فاکتورهای مهم و حیاتی در حفظ کارایی و راندمان PV  شناخته می شود. با کنترل دقیق و مناسب کشش الیاف در جهت تار و پود،  امکان دستیابی به  راندمان بالای  فتوولتائیکی(PV) در پارچه بافته شده میسر می‌گردد. رسوب فیلم‌های متخلخل نازک اکسید روی(ZnO) بر روی منسوجات فلزدار شده (متالیزه) و یا سیم‌های فلزی سازگار با منسوجات به وسیله روش گالوانیزه کردن قالب، امکان پذیر است. یکی از مشکلات این فرایند ناپایداری حرارتی منسوجات است کهکاربرد آنها را به عنوان مواد فتوولتائیک محدود می‌کند زیرا دمای فرایند باید پایین تر از 150˚C نگه داشته شود. بنابراین گالوانیزه کردن(آبکاری) فیلم‌های نیمه رسانا از محلول‌های آبکی با دمای کم یک تکنیک مطمئن‌تر برای فتوولتائیک‌های مبتنی بر الیافبه شمار می‌آید. در بین تکنیک‌های فتوولتائیکی مبتنی بر محلول‌ها با دمای پایین، تکنولوژی سلول خورشیدی حساس به رنگ عملی‌تر به نظر می‌رسد. اگر  رفتار با  مواد نساجی  مانند  منسوجات فعال باشد، ماکزیمم فاصله الکترود بایددر رنج 100 μm در نظر گرفته شود. در تحقیقات انجام شده توسط Loewenstein در سال 2008وLincot در سال 1998، به منظور رسوب کردن اکسید نقره (ZnO )به عنوان یک ماده نیمه رسانا، از الیاف و نخ‌های پلی آمید پوشش داده شده با فلز نقره(Ag) استفاده گردید.فیلم‌های متبلور و کریستالیZnOدر طی یک واکنش کاتدی گالوانیزه(آبکاری) تهیه شدند.  در این واکنش اکسیژن در الکترولیت آبکی در حضور Zn2+ و eosin Yبه عنوانماده  هدایت کننده ساختاری القاء شد.در تحقیقات انجام شده توسط Bedeloglu در سال2009[21]  نوارهای پلی پروپیلنی غیر رسانا و غیر شفاف،بدون استفاده از  کاربرد لایه ITO، به عنوان بستر آزمایش انتخاب گردیدند. نوارهایPP به ترتیب در محلول‌های متانول، ایزوپروپانول و آب مقطر با ملایمت تمیز شده و سپس در حضور نیتروژن خشک شدند. لایه ضخیم 100nm (100 نانومتری)  نقره به کمک تکنیک تبخیر حرارتی بر روینوارهایPPرسوب داده شد.

در مرحله بعد یک لایه نازک از محلول حاصل از اختلاطپلی(3،4-اتیلن دی اکسی تیوفن) دوپ شده با پلی(استایرن سولفونات)  ،PEDOT: PSS  بر روی نوارهای PPتحت پوشش قرار گرفت.سپس نوارهای پلی پروپیلن با مخلوط مواد ذیل تحت عملیات کوتینگ قرار گرفتند:

پلی (2- متوکسی،5-(3،7- دی متیلوکتیلوکسی)-1-4-فنیلن وینیلن) و 1-(3-متوکسی کربونیل)-پروپیل-1-فنیل(6،6)C61، MDMO: PPV: PCBM یا پلی (3-هگزیل تیوفن)1-(3-متوکسیکربونیل)-پروپیل-1-فنیل(6،6)C61، P3HT:PCBM

در نهایت یک لایه  نازک از فلوئورید لیتیم  به ضخامت 7 نانومتر و آلومینیم به ضخامت 10 نانومتر به وسیله تکنیک تبخیر حرارتی بر روی نوارهای pp رسوب داده شدند. افزایش رسانایی و هدایت الکتریکی همواره برای بهبود پتانسیل‌های بالقوه فتوولتائیک پلی(3،4 اتیلن دیوکسی تیوفن): پلی (استایرن سولفونت) (PEDOT:PSS)مفید بوده است. جامعه علمی فتوولتائیک به این حقیقت دست یافته‌اند که هدایت الکتریکی فیلم حاصل از رسوب دهیمحلول(PEDOT:PSS)، اگر یک ترکیب جامد و یا مایع مانند سولفوکسید متیل(DMSO)، دی متیل فرمامید (DMF)، گلیکول و یا سربیتل به  محلول آبکی PEDOT:PSS اضافه شود،بیش از 100 برابر افزایش پیدا می‌کند.

ازآنجایی که افزایش رسانایی تا حد زیادی به ساختار شیمیایی ترکیبات آلی بستگی دارد، ترکیب  آبی PEDOT: PSSمی‌تواند به راحتی به وسیله تکنیک‌های متداول  فرآیند محلول  بر روی بسترهای  گوناگون به صورت فیلم درآید و این فیلم ثبات حرارتی بسیار خوب و شفافیت بالایی در محدوده دید بشری دارد. [22-25]

 تعدادی از حلال‌های آلی مانند اتیلن گلیکول(EG)،2- نیترو اتانول(2-nitroethanol)، متیل سولفوکسید(methyl sulfoxide) و یا 1-متیل2- پیرولیدینن(1-methyl-2-pyrrolidinone) جهت افزایش رسانایی PEDOT: PSS  به کار گرفته شده‌اند. فیلم PEDOT:PSS  که محلول در آب است، پس از طی مرحله تکمیل با اتیلن گلیکول(EG) به صورت نامحلول در می‌آید. اسپکتوسکوپی(طیف سنجی) رامان به این نکته اشاره می‌کند  که بر هم کنش‌های درون زنجیری محلول PEDOT: PSS، طی  پروسه تکمیلبا افزودنEG افزایش پیدا می‌کند.این امر به دلیل تغییر ساختاری است که در زنجیرهای PEDOTاتفاق می‌افتد به گونه‌ای که زنجیرهای مولکولی ممکن است از حالت حلقوی تا خطی شدن تغییر ساختار دهند و یا ساختار حلقوی زنجیره‌ها گسترش یابد. رزونانس الکترواسپین (ESR) نیز می‌تواند دلیل افزایش بر هم کنش درون زنجیری و تغییرات ساختاری آن به عنوان تابعی از دما باشد؛ یعنی با افزایش دما  برهم کنش زنجیرها افزایش پیدا کند. 

به منظور تغییرات ساختاری در زنجیرهای PEDOT اتفاق می‌افتد، سد انرژی در تکمیل PEDOT: PSS با EGکاهش می‌‌یابد. غلظت پلارون‌ها(گروه‌های پلار و قطبی) در فیلم PEDOT: PSS با نسبت وزنی 50% w   کاهش و فعالیت الکترو شیمیایی فیلم PEDOT: PSS در محلول آبی نمک کلرید سدیمNaCl) )  با نسبت وزنی افزایش پیدا می‌کند. جهت تأیید تغییر در ساختار مورفولوژی فیلم PEDOT: PSSاز میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) و اندازه‌گیری‌های زاویه تماس استفاده می‌گردد. از آنجایی که رسانایی به شدت وابسته به ساختار شیمیایی  ترکیبات ارگانیک است،وجود ترکیبات آلی  به منظور  افزایش رسانایی مفید می‌باشند. مشاهده شده است که  تنها ترکیبات آلی‌ای موجب افزایش هدایت الکتریکی خواهند شد که دارای 2 و یا تعداد بیشتری گروه‌های پلار(قطبی)  باشند. با توجه به داده‌های تجربی می‌توان به این نتیجه رسید که افزایش رسانایی، به دلیل تغییرات ساختاری زنجیره‌های PEDOT  استو نیروی محرکه  این تغییر ساختاری، برهم کنش متقابل بین دوقطبی‌های موجود بر روی  زنجیره‌های مولکولی ترکیب آلیو نیز دوقطبی‌های موجود بر روی زنجیره‌های مولکولیرا نشان می‌دهد. از مزایای ساختار فتوولتائیک فیلم نازک، می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

- ساختار فیلم نازک  فتوولتائیک نسبت به پیکر بندی ساختار  همتای  مسطح خود کارآمدتر می باشد.

- فیلم نازک فتوولتائیک مساحت سطحی بیشتری را در اختیار می گذارد. این امر که به دلیل کاهش در انعکاس طیفی  اتفاق می‌افتد، برای به تله انداختن نور، مطلوب و کاربر می‌باشد. افزایش مساحت سطحی موجب افزایش شکست نورهای داخلی می‌گردد که  این امر عاملی به منظور افزایش طول مسیر عبور نور برای جذب فتون محسوب می‌گردد. 

- در ساختارفیلم‌های نازک، علت کاهش طول‌های انتقالی فتوولتائیک تحریک نوری است که در جذب کننده حمل می‌شوند؛ بنابراین الکترون‌ها و حفره‌‍‌ها  نیازی به طی فواصل طولانی قبل از جداسازی و مجتمع شدن ندارند.

تکنیک رسوب فیلم نازک

رسوب فیلم نازک از مواد فتوولتائیک توسطتکنیک‌های پرتو الکترونی، مقاومت حرارتی و بیرون اندازیکاتد (رسوب فیلم نازک از مواد فتوولتائیک به وسیله تکنیک‌های پرانی) انجام می پذیرد. این تکنولوژی‌ها از نظر درجه پیچیدگی و کیفیت تولید فیلم با یکدیگر متفاوتند. تکنولوژی تبخیر حرارتی مقاومتی(resistance-heated evaporation) نسبتاً آسان و ارزان است ولی ظرفیت مواد خیلی کم است که همینامر موجب ایجاد محدودیت در استفاده از آن در یک خط تولید تجاری می‌گردد. تکنیک کاتد پرانی(Sputtering technique) برای مساحت‌های وسیع و سطوح پیچیده می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.تبخیر توسط تابش پرتو الکترونی(Electron beam evaporation)،قابلیت تطبیق و انعطاف پذیری بیشتری برای تبخیر در خلاً و رسوب عناصر خالص دارد که این مواد قابل رسوب می‌توانند شامل بیشتر فلزات،  تعداد زیادی از آلیاژها  و ترکیبات باشند.

تکنولوژی تابش پرتو الکترونی به دلیل مزایای ذیل، نسبت به سایر  دو تکنولوژی دیگر برتری و کاربرد  بیشتری دارد:

- کنترل دقیق  فرآیند در سرعت‌های رسوب گذاری  کم و زیاد امکان پذیر است.  

- امکان استفاده از  سیستم‌های رسوب گذاری بصورت همزمان و اشتراکی و ترتیبی( بصورت متوالی) وجود دارد.

- ایجاد رسوب  در دماهای پایین و ثابت امکان پذیر است.

- نرخ بالاتری از تبخیر امکان پذیر است.

- امکان انجام فرآیند بدون  تولید آلودگی وجود دارد.

- ترکیب دقیق فیلم در دمای خنک‌تر بستر می‌تواند حفظ شود.

تکنولوژی رسوب فیلم نازک e-Vap®

انواع مختلفی از دستگاه‌های تولید پرتو الکترونی در اندازه‌های متفاوت  توسط e-Vap® تولید می‌شوند. عرضه این نوع دستگاه‌ها در سایزهای مختلف می‌باشد؛ به گونه‌ای که قادر به تولید نمونه‌های تحقیقاتی کوچک جهت بررسی و دستیابی به فرآیند کوتینگ در مقیاس تجاری با ظرفیت‌های بوته چینی آزمایشگاهی از 2cc تا400cc  می‌باشند. سیستم‌های تبخیر سطحی مینیاتوری مدل  e-Vap® 100  یک منبع  تغذیه سیمی دقیق  از پرتو الکترونی می‌باشد که به صورت ویژه و خاص برای رسوب تک لایه‌ای فیلم‌های نازک در محیط خلاء طراحی شده و قادر به تشکیل رسوب فلزات در سطح اتمی است. e-Vap® 3000 وCaburn-MDC e-Vap®از سیستم‌های دیگر تبخیر توسط پرتو الکترونی  با ظرفیت‌های مختلف می‌باشند که جهت محدوده وسیعی از کاربردها  مورد استفاده قرار می‌گیرند.شرکت‌های گوناگونی در حال فعالیت در زمینه فیلم‌های نازک فتوولتائیکی می‌باشند که برخی از آنها در جدول 1 نشان شده است.


جدول1- تولید کنندگان فیلم نازک فتوولتائیک

 

 

3-چاپ سلول‌های خورشیدی پلاستیکی

سلول‌های خورشیدی  بر پایه نیمه رساناهای آلی می‌توانند با بسترهای  نساجی ( منسوجات) سازگار  شده و با سطح بستر ادغام شوند. سلول‌های مولکولی ناهمگن با استفاده از چاپگرهای جوهر افشان به صورت کارآمدی چاپ می‌شوند که این تکنولوژی می­تواند مسیرهای جدیدی را جهت تولید سلول‌های خورشیدی ارگانیک  بر روی بشر بگشاید. اهمیت اختراع سلول‌های خورشیدی  چاپ شده به تکنولوژیKonarka برمی‌گردد که در این تکنولوژی تولید سلول‌های خورشیدی به وسیله پرینتر جوهر افشان  با موفقیت انجام گرفت. 

 

شکل 3- سلول‌های فتوولتائیک پلاستیکی Konarka که توسط تکنولوژی چاپ تولید شده اند.

(سطح بستر،الکترود اولیه، مواد فعال چاپ شده، الکترود شفاف، لایه محافظ شفاف)


تکنولوژی چاپ جوهر افشان امکان تولید سلول‌های خورشیدی در رنگ‌ها و طرح‌های متنوع و چندمنظوره را، برای محصولاتی که نیازمند قدرت کمتری هستند همچون سنسورها،  امکان پذیر ساخته است.  مشخص گردید که یک مخلوط از حلال‌هایی که دمای جوش کم و زیاد دارند( 68%  از ارتو دی کلرو بنزین و32% از  1,3,5-تری متیل بنزن) با بازده تبدیل توان حداکثر3% برای تولید سلول‌های خورشیدی حاصل از چاپ جوهر افشان مناسب می‌باشند. در طول فرآیندهای رنگرزی و خشک کردن و پخت آن، مخلوط حلال oDCB–mesitylene پیشنهاد شده که منجر به ایجاد یک شبکه جداسازی فازی بهینه و در نتیجه بطور قابل توجهی منجر به افزایش سطح کارایی می‌گردد. در طول فرآیند خشک کردن و تثبیت حرارتی، مخلوط حلال ارتو دی کلرو بنزن (oDCB)-mesityleneاستفاده شده موجب ایجاد یک جداسازی فازی بهینه بین پلیمر دهنده و فولرن پذیرنده می‌شود. تحقیقات انجام شده نشان دهنده آن است که فرمولاسیون حلال‌ها و دمای  میز چاپ دو پارامتر مهم و اساسی جهت کنترل  میزان پخش‌شوندگی و ترکنندگی مایع بر روی  سطح بستر می‌باشد. شکل 3 نشان  شماتیکی از چگونگی تشکیل فیلم آلی توسط چاپگر جوهر افشان را نشان می دهد. 

به طور مثال در یک نمونه، فرمولاسیون فعال نوری(photoactive) از مخلوط کردن پلی (3- هگزیل تیوفن)                            poly(3-hexylthiophene)(P3HT) با فولرن  [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM)در مخلوطی از حلال‌هایtetralene و oDCB–mesitylene تشکیل می شود.  تشکیل یک فیلم یکنواخت و  انجام یک فرآیند چاپ مناسب و  قابل اعتماد با توجه به پارامترهای میزان  پخش شوندگی مایع و کیفیت تشکیل فیلم با ثابت نگه داشتن دمای صفحه میز کار چاپ در40˚C  امکان پذیر است. استفاده از ترکیب مخلوطی از  حلال‌ها که دارای نقطه جوش‌های کمتر و بیشتر هستند،oDCB–mesitylene،  مزایایی به شرح ذیل  را به همراه خواهد داشت:

a. به منظور  جلوگیری از گرفتگی نازل، مخلوط حلال‌های oDCB  با نقطه جوش b.p.¼180˚C می‌تواند به کار گرفته شود. این محلول زمینه‌ساز جهش مطلوبی از سر سوزن‌های چاپ( هدهای چاپ)  می‌باشد.

b. جزء دوم،mesitylene، با دمای جوش165˚Cکه کمتر از  دمای جوش مخلوط حلال می‍‌باشد و  با تنش سطحی کمتر نسبت به مخلوط حلال‌ها، می­تواند موجب دستیابی به ترکنندگی و پخش شوندگی بهینه مایع بر روی سطح بستر  گردد.

c. این  حلال  در 1.86mm جیوه و در دمای 20˚C فشار بخار بیشتر و در مقایسه با  محلول‌های  oDCB وtetralene  نقطه جوش(165˚C ) کمتری دارد. این امر موجب افزایش نرخ خشک شدن محلول حلال می‌شود که این خود یک پارامتر مهم در ساختار مورفولوژی چاپ‌های فتوولتائیک به شمار می­‌آید.

با توجه به اینکه ابزار رسوب‌گذاری لایه‌ای در چگونگی مورفولوژی تاثیر گذار است؛  بنابراین کنترل دقیق مورفولوژی الزامی است. بدین منظور، بررسی‌های دقیقی نیز در همین راستا توسط میکروسکوپ نیروی اتمی بر روی لایه‌های فعال چاپ شده با روش جوهر افشان صورت گرفت. نتایج حاکی از آن بود که   فیلم‌های  حاصل از مخلوط  حلال‌های P3HT–PCBM تفاوت بسیاری را در میزان نقاط و زبری سطحی از خود نشان می‌دهند و از آنجایی­که زبری سطح لایه فعال بر عملکرد دستگاه فتوولتائیک چاپ جوهر افشان تاثیرگذار است،  بنابراین یک فرآیند قابل اعتماد و سازگار با محیط زیستفرآیندی است که بعد از انجام کلیه مراحل، درنهایت پودر نرمی تشکیل گردد. تولید کنندگان، پودر نرم حاصله را با حلال‌های صنعتی مخلوط می‌کنند تا یک مایع با قابلیت کوتینگ (پوشش دهنده)و یا به عبارتی یک جوهر تشکیل شود که این مایع به منبع رزواسیون هد پرینتر  جوهر افشان تغذیه می‌شود.  انواعی خاصی از پمپ‌ها نیز جهت  نگه داشتن ثابت و یکنواخت نرخ  توان عملیاتی  خروجی  از روزنه  هد چاپگر جوهر افشان،در طی پروسه چاپ برای اعمال فشار پیوستهمورد استفاده قرار می‌گیرد. هد جوهر افشان دارایقابلیت حرکت و جابجایی در جهات مختلف می‌باشد که همین قابلیت ایجاد الگوهای متنوع چاپ  مایع پلیمری نیمه رسانا بر روی  لایه لایه­های  بستر منسوج  را میسر می‌سازد  و همانگونه که در شکل 4  نیز مشاهده می‌کنید، لایه‌ها بصورت قابل توجهی نازک می‌باشند. 


شکل 4- چاپ جوهر افشان سلول‌های فتو ولتائیک

(سطح بستر، پخش شدن و تجمع قطرات چاپ جوهر افشان، تبخیر حلال، فرم خشک شده، تزریق قطره، روزنه نازل، هد پرینتر جوهر افشان،  مسیر حرکت و جابه جایی)

مزایای چاپ جوهر افشان

چاپ جوهر افشان مواد فتوولتائیک آلی دارای مزایایی به شرح زیر می‌باشد:

- چاپ جوهر افشان یک تکنیک متداول  برای  ایجاد  رسوب کنترل شده از محلول‌های حاصل از مواد کاربردی در مکان‌ها و موقعیت‌های خاص بر روی بستر می­باشد و می­تواند به آسانی و به سرعت  فیلم‌های پلیمری را بر روی سطح وسیعی از بستر رسوب دهد. 

- سلول‌های خورشیدی آلی  می‌توانند با کمک تکنیک‌های چاپ،  با کمترین و حتی هیچگونه  اتلاف نسبت به تکنولوژی‌های نیمه رسانا  مانند کوتینگ یا پوشش دهی چرخشی فرآوری شوند.

- چاپ جوهر افشان می تواند یک ابزار هوشمند جهت تولید سلول‌های خورشیدی با طرح‌ها و رنگ‌های چندگانه و متنوع باشد و بیشتر  برای تولید  محصولاتی که  به قدرت کمتری نیاز دارند به کار  می‌رود مانند کاربردهای داخلی و سنسورها.

- چاپ جوهر افشان به عنوان یک تکنیک امیدوار کننده در نظر گرفته می‌شود؛ چرا که دستگاه‌های پلیمری به دلیل سازگاریبا بسترهای گوناگون و عدم نیاز به طرح‌ها و الگوهای اضافی  به راحتی ساخته  می‌شوند. 


حمیده نجارزاده

دانشجوی کارشناسی ارشد شیمی نساجی دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب

منبع: نشریه نساجی موفق- شماره 21- ص 55 تا 61

 

 
ست‌های مختلف گردنبند برای گردن‌کشیده‌ها، لاغراندام‌ها و عاشقان پیراهن
ست‌های مختلف گردنبند برای گردن‌کشیده‌ها، لاغراندام‌ها و عاشقان پیراهن
انتخاب گردنبند با توجه به اندازه گردن، فرم بالاتنه و مدل لباس‌مان باید صورت گیرد در غیر این صورت به جای این‌که گردنبندمان زیبا به نظر برسد، کل لباس و اندام‌مان نامتناسب به چشم می‌آید. مثلاً اگر بالاتنه چاق و گردن کوتاهی دارید باید از جواهرات یا ...
700 هزار زن بورکینی یا مایوی اسلامی پوشیدند
700 هزار زن بورکینی یا مایوی اسلامی پوشیدند
امروز همه دیگر نام بورکینی یا همان لباس شنای اسلامی را شنیده‌اند؛ ...
حاشیه‌های لباس گرانقیمت نخست‌وزیر هندوستان
حاشیه‌های لباس گرانقیمت نخست‌وزیر هندوستان
اگر نام نخست‌وزیر هندوستان را فراموش کردید نگران نباشید با کمی دقت به ...
 
اگر نام نخست‌وزیر هندوستان را فراموش کردید نگران نباشید با کمی دقت به کت و شلوار ایشان و دقیق شدن به راه‌راه‌های آن می‌توانید نام «نارندرا مودی» را که به زیبایی بر روی پارچه نقش بسته مشاهده کنید. این ...
امروز همه دیگر نام بورکینی یا همان لباس شنای اسلامی را شنیده‌اند؛ لباسی که به شکل پوششی برای کل بدن به زنان مسلمان اروپایی اجازه داد از استخرهای شنای این کشورها و حتی از سواحل آن‌ها نیز استفاده کنند. ...
ماساژ یخ زیر آفتاب تند تهران؛ پوست صورت را ویتامینه کن
برای ماساژ پوست صورت با یخ، چندان فرصت ندارید! خدای ناکرده در سرمای ملایم پاییز و سوز زمستان که نمی‌خواهید صورت‌تان را یخ ماساژ دهید؟ پوست صورت وقتی ...
میان ازبین‌رفتن کاربرد یک ساختمان و کشف قابلیت‌های آن توسط فردی، زمان زیادی طی خواهد شد. اما وقتی این اتفاق می‌افتد، آن ساختمان مسیر جدیدی را می‌تواند شروع کند. برای بیان مثالی که این چرخه را نشان ...
انتخاب گردنبند با توجه به اندازه گردن، فرم بالاتنه و مدل لباس‌مان باید صورت گیرد در غیر این صورت به جای این‌که گردنبندمان زیبا به نظر برسد، کل لباس و اندام‌مان نامتناسب به چشم می‌آید. مثلاً اگر بالاتنه چاق و گردن کوتاهی دارید باید از جواهرات یا بدلیجات کوچک‌تری انتخاب کنید بعضی از افراد چاق ...
سوپربایک، فوق اسپرت و خلاصه همه‌چیزتمام!
ام‌وی‌آگوستا، سازنده مطرح ایتالیایی سوپربایک‌ها، از موتور سیکلت بازطراحی شده F۴ که تنه‌اش را شرکت زاگاتو بازطراحی کرده است، رونمایی کرد. این ...
بازگشت دسته‌گل‌های آبشاری به دنیای مد
دسته‌ گل عروس به عنوان یکی از پیشکش‌های آقاداماد به عروس‌خانوم در مرکز توجه قرار دارد. هر چند در دکوراسیون محل برگزاری مراسم عروسی نیز معمولاً از ...
همه آنچه درباره خواص دسر باید بدانید اما جرأت پرسیدنش را نداشتید!
اغلب دسرها شیرین هستند، اما گاهی مواد غذایی دیگری همچون انواع پنیر هم به عنوان دسر مصرف می‌شود. در برخی کشورها، وعده جداگانه‌ای به نام دسر وجود ...
کمد دوست‌داشتنی من
تفاوتی ندارد که در محیط کار باشید یا یک جمع صمیمی دوستانه، چه برای خرید بیرون رفته باشید چه برای ورزش کردن، بانوی ایرانی همیشه شیک می‌پوشد و به ...
جنگلی با مه و باران بر دیوار یک استخر
مانوئل آکانا، معمار نام‌آشنای اسپانیایی با استفاده از آینه، ابرهای مصنوعی و گیاهان بزرگ، دیوار یک استخر در مادرید را به شکل جنگلی با مه و باران ...
به جای الماس و طلا با خاویار زیبا شوید
شاید الماس، یاقوت، مروارید، طلای 24عیار و پلاتین، مجموعه‌ای از جواهرات رویایی برای هر کسی باشند، اما آیا این جواهرات تجملاتی می‌توانند در رژیم ...
نورپردازی در داخل حمام معمولاً ساده، قابل پیش‌بینی و اغلب غیر تزئینی است. یعنی بیش‌تر ما فکر می‌کنیم دستشویی و حمام جای این طراحی برای نورپردازی نیست و سر و ته ماجرا می‌توان با یک لامپ ساده هم آورد! ...
جواهرات خانه‌های جواهر معتبر نظیر کارتیه، دیور، بودلز و دیگران، معمولاً با منابع الهام شگفت‌انگیزی همراه است و در جواهرات یک دهه اخیر، این برندها همیشه الهام از طبیعت، دریا و اقیانوس، حیوانات، حشرات، ...
 LC۵۰۰ لوکس‌ترین خودروی مسابقه‌ای لکسوس
لکسوس در حال جایگزینی خودروی مسابقه‌ای RC F در ژاپن با یک LC۵۰۰ جدید است. همان‌طور که نسخه تولیدی لکسوس LC500 خیره‌کننده به نظر می‌رسد سبک و سیاق ...
پرتقال، ترش، شیرین، ملس و...؛ طعم پرتقال را حس کرده‌اید، با آن بوی فوق‌العاده که حس جنگل‌های شمال را به آدم می‌دهد؟ فکرش را بکنید شما بشوید عروس پرتقالی فصل پاییز! اسمش هم زیباست چه برسد به عملی‌کردن ...
پاییز در راه است و خرید لوازم‌التحریر و وسایل مدرسه برای بچه‌ها هم آرام‌آرام داغ می‌شود. پیشنهاد کارگاهی امروز مد در خانه مدآنلاین اما این است که برای یکی از این وسایل، به بازار نروید؛ اصلاً لازم نیست پا از خانه بیرون بگذارید. هر از گاهی لازم است که خودتان را از مشغله‌ها و مشکلات زندگی رها کنید و ...
نام
 
پست الکترونیکی
 
وبسایت / وبلاگ
 
نظر شما    
 
علی رضایی
1393/11/4     1:2
سلام خیلی مقاله خوبی بود لطفا قسمت دوم این مقاله رو هم تو سایتتون بذارید.
نجمه
1395/2/20     0:40
مگه قسمت دوم هم داره؟؟؟؟
نجمه
1395/2/20     0:40
مگه قسمت دوم هم داره؟؟؟؟
محمدی
1394/1/9     0:43
لطفا از این مقالات علمی بازم تو سایتتون بذارید من که خیلی استفاده کردم. ممنون
مریم
1394/1/19     1:55
سلام- خیلی مطلب جالبی بود فقط کاش راجع به کاربردهای این الیاف در صنعت توضیح بیشتری داده میشد.
امیر حسینی
1395/5/16     1:59
خیلی عالی بود - اگه واقعا قسمت دوم هم داره لطفا توی سایت منتشر کنید - من که خیلی استفاده کردم