سل فوتو الكتروشیمیایی برای استفاده در اهداف كاربردی مطالعاتی و بررسی خصوصیات فوتوالكتروشیمیایی مواد نیمرسانا
Multipurpose photo-electrochemical cell for photo-plectrochemical charactrization of semiconductor materials

خلاصه اختراع :

اختراع حاضر یك ابزار مهم برای بررسی خصوصیات فوتوالكتروشیمیایی و كسب اطلاعات بنیادی در مورد موادی است كه می توانند انرژی الكترومغناطیسی را به انرژی الكتریكی یا شیمیایی تبدیل كنند. اهمیت این اطلاعات زمانی مشخص می شود كه نیاز فزاینده بشر به منابع انرژی غیر آلاینده و تجدید پذیر، به علت بحران انرژی و افزایش قیمت منابع انرژی فسیلی و نیز رو به پایان بودن آن ها و علی الخصوص آلایندگی و پدیده گرم شدن كره زمین مد نظر قرار گیرد. لذا علوم مختلف فراخور حیطه توانایی و تاثیر گذاری خود مبادرت به ارائه راه حل ها و روش هایی برای مرتفع ساختن این نیاز نموده اند. یكی از مهترین راه حل های ارائه شده برای این مشكل بین المللی كه به صورت فزاینده مورد استفاده قرار می گیرد و تحقیقات بسیار گسترده ای در این زمینه همچنان در حال انجام است، تبدیل انرژی نورانی خورشید به سایر انرژی های قابل استفاده می باشد. این تبدیل انرژی، یعنی مهار و تبدیل انرژی خورشید به حالتی از انرژی كه قابل ذخیره سازی و انتقال باشد، امروزه به دو صورت متداول در حال استفاده و مورد تحقیق است كه عبارت اند از تبدیل مستقیم نور به انرژی الكتریكی در سلول های خورشیدی یا ذخیره آن در مولكول های هیدروژن به صورت شیمیایی و استفاده از آن به عنوان سوخت پاك در موتور های با سوخت هیدروژن مایع. این راه حل ارائه شده توسط شیمیدانان بر این امر استوار است كه تركیبات نیم رسانا قابلیت برانگیخته شدن با نور خورشید را دارا می باشند. این انرژی جذب شده در حالت برانگیخته در این مواد قابل مهار به صورت انرژی الكتریكی یا شیمیایی است. بدیهی است كسب اطلاعات بنیادی در زمینه خصوصیات شیمیایی و فوتوالكتریكی این مواد نیم رسانا سنگ بنای این راه حل می باشد كه باید به صورت پایه ای مورد بررسی قرار گیرد. اجرای فرآیند تبدیل انرژی نورانی خورشید به انرژی قابل مهار در حیطه علم شیمی و زیر مجموعه های در حال رشد آن یعنی الكتروشیمی و فوتو الكتروشیمی است. با بیانی ساده، الكتروشیمی را می توان مطالعه اثر الكتریسیته در واكنش های شیمیایی در نظر گرفت. این دسته از مطالعات نیازمند به ابزار و وسایلی هستند كه متناسب با شرایط سیستم مورد بررسی باشند. این ابزار ها عبارت اند از یك محلول الكترولیت (محلولی با قابلیت رسانایی مناسب)، یك محفظه یا ظرف واكنش (سل) و دو یا سه الكترود (غوطه ور در الكترولیت) كه از طریق یك مدار خارجی به هم وصل شده اند. علاوه بر موارد ذكر شده، در صورت مصرف جریان بر اثر انجام واكنش به یك منبع تغذیه و در صورت تولید جریان بر اثر انجام واكنش به یك وسیله مصرف كننده الكتریسته نیز نیاز است. با ابزارهایی مانند ولت متر و آمپر متر نیز میزان پتانسیل و جریان در سیستم قابل اندازه گیری است. باطری های مورد استفاده در اتومبیل ها یك مثال ساده و آشنا برای سیستم های الكتروشیمیایی و كاربرد آن در زندگی روزمره می باشند. فوتوالكتروشیمی زیر شاخه ای از الكتروشیمی است كه به بررسی تاثیر نور در فرآیند های الكتروشیمیایی می پردازد. مهمترین موضوع مورد بررسی در این زمینه، تحقیق در مورد انرژی های تجدید پذیر و همچنین ساخت حسگرهای خودتحریك پذیر می باشد كه جدیدا به موضوعات مهم برای تحقیقات در این زمینه تبدیل شده است. مشابه با مطالعات الكتروشیمیایی، بررسی های فوتوالكتروشیمیایی نیز نیازمند به ابزار هایی خاصی می باشند. دویا سه الكترود كه بر روی سطح یكی از آن ها تركیب نیم رسانای مورد بررسی قرار داده شده و یا اینكه الكترود از جنس ماده نیم رسانا ساخته شده است، یك منبع تولید نور، یك سل مخصوص كه اجازه انتقال نور با كمترین اتلاف را به سطح ماده نیم رسانا می دهد، از ملزومات خاص برای بررسی های فوتوالكتروشیمیایی هستند. ویژگی مهم طراحی سل های فوتو الكترو شیمیایی، مربوط به نوع چیدمان منبع نور و الكترود اصلاح شده ؛ مقدار انرژی مصرف شده برای ایجاد برانگیختگی ماده نیم رسانا، به حداقل رساندن میزان اتلاف انرژی منبع نور؛ سادگی و پایداری فیزیكی و شیمیایی و قابلیت كاربرد آسان سل می باشد. سایر ملزومات كه نام آنها برده نشده است؛ مشابه با ملزومات بررسی های الكتروشیمیایی هستند. اختراع حاضر مربوط به ساخت یك سل برای استفاده در بررسی خصوصیات فوتوالكتروشیمیایی تركیبات نیم رسانا می باشد. اطلاعات بدست آمده از بررسی های آزمایشگاهی با استفاده از این سل در زمینه ساخت دستگاه-های تبدیل انرژی نورانی خورشید به انرژی های الكتریكی و شیمیایی دارای اهمیت فراوانی است. مطابق با یك دسته بندی مرسوم، مواد از لحاظ رسانایی به سه دسته رسانا، نیم رسانا و نارسانا تقسیم می شوند. مواد نیم رسانا دارای دو تراز انرژی هستند، تراز رسانش و تراز ظرفیت، كه در اثر جذب انرژی برانگیخته می شوند و در اثر برانگیختگی، الكترون آماده برای شركت در فرآیند های فوتوالكتروشیمیایی فراهم می شود. همانطور كه اشاره شد، برای تولید الكترون برانگیخته، مقداری انرژی نیاز است كه الكترون ها را به تراز رسانش انتقال دهد؛ این انرژی می تواند به شكل های مختلف، از قبیل حرارت دادن یا تابش امواج الكترومغناطیسی با انرژی مناسب (تابش الكترومغناطیسی یا انرژی حرارتی با انرژی بیشتر از تفاوت انرژی بین تراز رسانش و تراز ظرفیت آنها) تامین شود. از این میان، كسب انرژی از طریق تابش امواج الكترومغناطیسی و یا نور كه بخشی از طیف امواج الكترومغناطیسی است؛ یكی از روش های مناسب و سهل الحصول می باشد. هنگامی كه یك تركیب نیم رسانا انرژی لازم را كسب نمود، می تواند فرآیند اكسایش یا كاهش تركیب های شیمیایی را در سطح خود به انجام رساند. فرآیند اكسایش و كاهش یعنی فرآیندهایی كه طی آن انرژی شیمیایی از طریق الكترون های درگیر در فرآیند به انرژی الكتریكی و یا برعكس تبدیل می شود. یعنی طی برخی از این فرآیند ها، انرژی الكتریكی بر اثر انجام یك فرآیند اكسایش و كاهش بین دو تركیب شیمیایی تولید یا برای تولید یك تركیب شیمیایی انرژی الكتریكی مصرف می شود. به این ترتیب می توان فرآیند تبدیل انرژی نورانی خورشید به انرژی الكتریكی را به دو مرحله تقسیم كرد. ابتدا انرژی نورانی خورشید توسط تركیب نیم رسانا جذب شده و الكترون برانگیخته در تراز رسانش تولید می شود. در مرحله دوم این الكترون در فرآیند اكسایش و كاهش شركت كرده و به انرژی الكتریكی تبدیل می شود. برای درك بهتر، به شكل (1) در پیوست مربوط به شكلها و نمودارها رجوع شود. مطالعه این فرآیندها، اولا از دیدگاه تولید انرژی مانند ساخت كاتالیست های مناسب برای سلول های خورشیدی، ثانیا در تولید محصولاتی ازقبیل هیدرو ژن یا سایر تركیبات سودمند و نهایتا در ساخت حسگرها و زیست حسگرهای فوتوالكتروشیمیایی بدون نیاز به نیروی محركه مورد توجه می باشند. لذا نتایج تحقیقات بنیادی بر روی نیم رسانا ها به صورت بالقوه در صنایع تولید سلول های خورشیدی، حسگرهای فوتو الكتروشیمیایی و فتوالكتروسنتز تركیبات آلی و معدنی حائز اهمیت هستند. از این رو ، طرحی از یك سل كه بتواند به صورت موثر برای عملیات تحقیقاتی در این زمینه ها مورد استفاده قرار گیرد همیشه مد نظر محققین بوده است و محققین نیز بسته به نیاز خود به طراحی سل مورد نیاز مبادرت می نمایند. سل های طراحی شده توسط محقیقین معمولا دارای ایراداتی هستند. یكی از این ایرادات وارده به سل های موجود، محدود بودن قابلیت استفاده از سل فقط به یك زمینه از تحقیقات فوتوالكتروشیمی می باشد؛ به عنوان مثال سل مربوط به بررسی قدرت تولید هیدروژن از آب با استفاده از نور كه فقط در این زمینه قابل استفاده است یا سل لایه نازك كه برای بررسی خصوصیت فوتوالكتریكی تركیب نیم رسانا برای تولید انرژی الكتریكی قابل كاربرد است. یك ایراد مهم دیگر، استفاده از شیشه برای ساخت این سل ها می باشد كه هم از لحاظ فیزیكی ناپایدار و شكننده است و همچنین این سل ها شیشه ای هم از لحاظ ساخت و هم از لحاظ تعمیر نیاز به هزینه و تكنیك بسیار بالایی هستند. یك ایراد مهم دیگر كه به سل های طراحی شده قبلی وارد است لزوم استفاده از منابع نور با توان بالا می باشد كه خود مشكلاتی موجب نیاز سل به قسمت خنك كننده و پیچیده تر شدن طرح سل می شوند. این اختراع با هدف مرتفع كردن مشكلات موجود در سل های فتوالكتروشیمایی برای بررسی و مطالعات مربوط به خصوصیات نیم رساناها می باشد. اطلاعات جامع تر در زمینه فرآیندهای فوتوالكتروشیمیایی در متون علمی قابل دسترسی است؛ لذا بدلیل گستردگی مطلب از پرداختن به آنها خودداری می گردد.