تازه های فناوری نانو  

همان طور که می دانیم فناوری نانو هنر دستکاری مواد در مقیاس اتمی یا مولکولی و به خصوص ساخت قطعات و لوازم میکروسکوپی می باشد. طی سال‌های گذشته، محققان ازنانوذرات برای جذب نور و افزایش بازده پیل‌های خورشیدی استفاده کرده‌اند. اخیرا پژوهشگران یک گام دیگر به جلو برداشته و ثابت کرده‌اند که برخی نانو ذرات می‌توانند بازده پیل‌های خورشیدی راتا50 درصد افزایش دهند.

براندون مک دونالد با همکاری گروه‌هایی از مرکز CSIRO و دانشگاه ملبورن استرالیا موفق به ساخت پیل خورشیدی بسیار نازکی شدند که قابل چاپ و انعطاف‌پذیر بوده و همچنین می‌تواند هزینه انرژی تجدیدپذیر را به شدت کاهش دهد.

در این فناوری که به‌صورت پتنت ثبت شده است، از جوهرهای حاوی نانوبلورهای نیمه‌هادی بسیار کوچک استفاده شده است. این جوهرها می‌توانند مستقیما روی سطوح مختلف بنشینند. اگر ترکیب مناسبی از جوهر و سطح انتخاب شود آنگاه می‌توان پیل‌های خورشیدی کارا با استفاده از هزینه بسیار کم تولید کرد.

براندون مک دونالد می‌گوید:

مشکل پیل‌های خورشیدی رایج این است که برای تولید آنها نیاز به انرژی و فرآیندهای پیچیده‌ای است که در نهایت تولید آنها را بسیار پر زحمت می‌کند. اما با استفاده از این جوهرهای نانوبلوری می‌توان یک روش مستمر را برای تولید پیل خورشیدی ارائه کرد. در چنین روشی خروجی تولید بسیار بالا بوده در حالی که هزینه تولید پیل خورشیدی به شدت کاهش خواهد یافت.

نانوبلورها، که نقاط کوانتومی شهرت دارند، ذرات نیمه‌هادی هستند که دارای قطری بین چند میلیونیوم تا چند میلیمتر هستند. از آنجایی که ابعاد این ذرات بسیار کوچک است بنابراین می‌توانند درون محلول به‌صورت معلق باقی بمانند.

این محلول را می‌توان روی مواد مختلف نظیر پلاستیک‌ها یا فویل‌های فلزی نشست داد و سپس آنها را خشک کرده و به‌صورت فیلم نازک در می‌آورند.

براندون مک دونالد و همکارانش دریافتند که با استفاده از لایه نشانی به‌صورت چند لایه توسط نانوبلورها، آنها قادر خواهند بود که هرگونه آسیب بوجود آمده روی لایه‌ها که در طی فرآیند خشک کردن ایجاد می‌شود را پر کنند. نتیجه کار، یک فیلم متراکم و یکنواخت است که برای پیل‌های خورشیدی سبک ایده‌آل است.

یک گروه تحقیقاتی به رهبری جان زو از آزمایشگاه ملی اِوک ریدج با ساخت پیل خورشیدی مبتنی بر نانومخروط سه بعدی راندمان تبدیل نور به توان فوتوولتائیک را تا نزدیک 80 درصد رسانده است.

این فناوری در حقیقت بر مشکل انتقال ضعیف بارهای تولید شده بوسیله فوتون‌های خورشیدی غلبه می‌کند. این بارها (الکترون‌های منفی و حفره‌های مثبت) معمولا بوسیله نقایص در مواد توده‌ای و فصل‌مشترک‌شان بدام می‌افتند؛ و این پدیده منجر به افت عملکرد می‌شود.

پیل خورشیدی مبتنی بر نانومخروط شامل نانومخروط‌های نوع n، اکسید رسانای شفاف (TCO) ماتریس نوع p و بستر شیشه‌ای.

زو گفت: برای حل مشکل مربوط به بدام‌افتادن بارها که راندمان پیل خورشیدی را کاهش می‌دهد، ما یک پیل خورشیدی مبتنی بر نانومخروط ساختیم؛ روش‌هایی برای سنتز این پیل‌ها ابداع کردیم و راندمان مجموعه بار اصلاح شده را شرح دادیم.

این ساختار خورشیدی جدید شامل نانومخروط‌های نوع N است که بوسیله یک نیمه‌رسانای نوع p احاطه شده‌اند. این نانومخروط‌های نوع N از اکسید روی ساخته می‌شوند و بعنوان چارچوب اتصال و رسانای الکترون استفاده می‌شوند. ماتریس نوع p نیز از تلورید کادمیوم چندبلوری ساخته می‌شود و بعنوان محیط جاذب اولیه فوتون و رسانای حفره استفاده می‌شود.

زو و همکارانش با این راهبرد در مقیاس آزمایشگاهی قادر شدند که به راندمان تبدیل نور به توان سه و دو دهم درصدی برسند که از راندمان یک و هشت دهم درصدی ساختار مسطح مرسوم این ماده بیشتر است.

زو گفت: ما برای تهیه یک توزیع میدان الکتریکی ذاتی، ساختار سه بعدی طراحی کردیم، بطوری که انتقال موثر بار و راندمان بالا در تبدیل انرژی از نور خورشید به الکتریسیته را تقویت می‌کند.

 نقایص کم در نیمه‌رساناها باعث تقویت خواص نوری و الکتریکی برای تبدیل فوتون‌های خورشیدی به الکتریسیته می‌شود.

زو گفت : نکته مهم در اختراع ما این است که شکل نانومخروطی، میدان الکتریکی بالایی در مجاورت نوک تولید می‌کند که باعث جداسازی، تزریق و جمع‌آوری موثر بارهای کوچک می‌شود و درنتیجه در مقایسه با یک پیل مسطح مرسومِ ساخته شده با همان ماده، منجر به راندمان بالاتری می‌شود.

این محققان جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در دو مقاله تحت عناوین "انتقال موثر بار در پیل‌های خورشیدی فیلم – نوک نانومخروطی" و "پیل‌های خورشیدی نانواتصال مبتنی بر فیلم‌های CdTe چندبلوری رشدیافته روی نانومخروط‌های ZnO" "در IEEE Proceedings منتشر کرده‌اند.

یک تحقیق که به تازگی انجام شده است، نشان می‌دهد که با جایگزین کردن نواری از نانو لوله‌های کربنی به جای یکی از دو لایه‌ای که معمولا در یک سلول خورشیدی استفاده می‌شود می‌توان با صرف هزینه اندکی عملکرد این سلول را تقویت کرد.

محققان روش شگفت آوری کشف کرده‌اند که می‌تواند خواصی را که نانو لوله ها به این منظور لازم دارند به آنها بدهد.

با این وجود، هر دوی این مواد نقطه ضعف‌هایی نیز دارند.نوارهای اکسید را نمی‌توان به راحتی بر روی مواد قابل انعطاف کشید، آنها بر روی یک ماده سخت و مقاوم به حرارت مانند شیشه بهتر عمل می‌کنند.

جسیکا ترانسیک از موسسه سانتا فه ، اسکات کالابریز بارتون از دانشگاه ایالتی میشیگان و جیمز هون از دانشگاه کلمبیا تصمیم گرفتند تا از نانولوله‌های کربنی برای ایجاد یک لایه واحد استفاده کنند که بتواند کار هر دو لایه اکسیدی و پلاتینی را انجام دهد .برای این منظور محققان نیاز داشتند که این لایه واحد سه خاصیت، شفافیت، رسانایی و فعالیت کاتالیستی را داشته باشد.

نوارهای معمولی نانولوله‌ها ی کربنی، اندکی از این سه خواص را دارند.روش‌های معمول برای تقویت یکی از این خواص باعث از بین بردن یک خواص دیگر می‌شود.برای مثال ضخیم تر کردن این نوار آنرا کاتالیست بهتری می‌کند اما در مقابل، از شفافیت نوا می‌کند.تئوری قبلی نشان داده بود، زمانیکه مواد نقص‌های ریز و کوچکی داشته باشند احتمالا کاتا لیست‌ها ی بهتری خواهند بود و مکان‌هایی را برای چسبیدن مواد شیمیایی فراهم می‌کاهد.

از این رو محققان تلاش کردند تا نانولوله‌های کربنی را در معرض ازن قرار دهند.ازن اندکی به این لوله‌ها صدمه می‌زند.

محققان دریافتند که نوارهای بسیار نازک، کاتالیست‌های بسیار بهتری می شوند بطوریکه عملکرد آنها بیش از 10برابر افزایش می‌یابد.محققان به منظور رسیدن به حد وسط شفافیت و رسانایی نانولوله‌های کربنی بلندتری ساختند. این خاصیت موجب تقویت رسانایی و شفافیت این لوله‌ها شد.نوارهای نانو لوله کربنی را می‌توان در پیل‌های سوختی و باتری‌ها استفاده کرد.محققان نتایج خود را در گزارش‌های نانو منتشر کردند.

اخذ: تبیان

فناوری نانو تقویت سلول های خورشید ی رافراهم کرده است

ارائه روشی برای تولید پیل‌های خورشیدی نازک‌تر، سبک‌تر و ارزان‌تر