|
براي افزايش بازدهي تبديل انرژي نور خورشيد، روش‌ها و ابداعات جديدي مورد نياز است.
در اين مسير استفاده از نانولولههاي کربني در سيستم‌هاي جمع‌آوري فوتون (ذرات نور)
مسيري جديد در طراحي اين سيستم‌ها به وجود آورده‌است. اين مقاله به بحث دربارةروش‌هاي
استفاده از نانولولههاي کربني به عنوان الکترودهاي حساس به فوتون و نقش آنها در
تبديل انرژي خورشيدي به جريان الکتريسيته مي‌پردازد. سازمان ملل متحد، آيين‌نامه‌اي را تحت عنوان تثبيت ميزان غلظت گازهاي گلخانه‌اي اتمسفر در حدي که بتواند از خطر تداخل آنتروپوژنيک (anthropogenic) با سيستم آب و هوايي جلوگيري کند، به عنوان يکي از پيمان‌نامه‌هاي زيرساختاري قرار داده‌است؛ اين در حالي است که تا سال 2050 ميلادي ده تريليون وات (TW) انرژي بدون انتشار كربن بايد توليد شود که تقريباً معادل همة منابع انرژي‌هاي موجود تا به امروز است. براي مواجه شدن با افزايش تقاضاي انرژي در آينده‌اي نزديک، چاره‌اي جز جستجوي منابع انرژي پاک که از نظر پسماند نيز مشکلي نداشته باشند، وجود ندارد. سوخت‌هاي فسيلي و مشتقات آنها، سوخت هسته‌اي و سوخت‌هاي تجديدپذير از اصلي‌ترين منابع تأمين‌کنندة ده تريليون وات انرژي در سالهاي آتي هستند. در ميان انرژي‌هاي تجديدپذير (مثل باد، آب، زمين گرمايي (hydrogeothermal) ، خورشيد)، انرژي خورشيدي به عنوان يک منبع انرژي تمام‌ناشدني يکي از قابل قبول‌ترين منابع براي دستيابي به اين تقاضاي انرژي در آينده است. فعلاً انرژي توليدشده از نور خورشيد کمتر از 01/0 درصد از تقاضاي انرژي در جهان است. اگر چه انرژي خورشيدي و تشعشعات آن در مقالات و تحقيقات زيادي مورد بررسي قرار گرفته‌است ولي به‌منظور دستيابي به روش‌هاي اقتصادي‌تر و داراي راندمان بالا براي جمع‌آوري فوتون‌ها نوآوري‌هايي لازم است. طي دهة اخير نانومواد به‌عنوان سيستم‌هايي جديد براي جمع‌آوري انرژي نور مطرح شده‌اند. خواص کم‌نظير الکتريکي و الکتروني، پايداري بالاي الکتروشيميايي و سطح بالايي که اين گونه مواد ايجاد کرده‌اند انگيزة بسياري از محققان را در به‌خدمت گرفتن نانوساختارهاي کربني (مثل نانولولههاي تك ديواره) براي تبديل انرژي‌هاي مختلف برانگيخته‌است، به طور مثال فولرين‌ها خواص فوتوشيميايي بالايي از خود نشان مي‌دهند و به عنوان پرتابه الکترون (electron shattle) در پيل‌هاي خورشيدي فوتوشيميايي عمل مي‌کنند. اين مواد در بهبود بازده پيل‌هاي فوتوولتائيک (photo voltaic) آلي نقش مهمي را ايفا مي‌کنند. در پيل‌هاي خورشيدي معمول فوتوشيميايي، لاية نيمه‌هادي به عنوان الکترودهاي فوتواکتيو عمل مي‌کند که با تحريک نور مرئي، جفت الکترون- حفره ايجاد مي‌کنند. يکي از حامل‌هاي بار (مانند الکترون) به‌سمت الکترود شمارنده رانده مي‌شود؛ در حالي که عامل بار ديگر (حفره) بهوسيلة جفت اكسايش - كاهش موجود در الکتروليت حذف مي‌شود و به اين ترتيب جرياني از فوتون ايجاد مي‌شود. نانولولههاي تــــــک‌ديواره (SWNT) و نانولـــــــوله‌هاي (stacked- cup (SCCNT، به عنوان دو نوع از بهترين نانولولههاي کربني در تبديل انرژي خورشيدي در مقالات معرفي شده‌اند. نانولوله‌ها به‌صورت معمول از شبکه‌هاي شش‌ضلعي کربني تشکيل شده‌اند كه مورفولوژي خاص آنها و در دسترس بودن سطوح داخلي و خارجي آنها براي افزودن عوامل شيميايي و اصلاح اين سطوح، کاربردهاي جديدي را براي اين مواد در فرايندهاي کاتاليستي و الکترونيکي به وجود آورده‌است. نانولولههاي تک‌ديوارة موجود شامل هر دو نوع نانولولههاي فلزي و نانولولههاي نيمه‌هادي با کايراليتي متفاوت هستند. تابع کار (work function) نانولولههاي تک‌ديواره حدود 8/4- الکترون ولت بر اساس ميزان خلاء مطلق (AVS) است. نانولوله‌ها داراي باندگپي در بازة صفر تا 1/1 الکترون ولت هستند که البته کاملاً به کايراليتي و قطر لوله‌ها بستگي دارد. هنگامي که باند گپ نانولولههاي نيمه‌هادي تحريک مي شود، دچار جداسازي بار مي‌شوند. از نانولولههاي کربني در سلولهاي خورشيدي به دو صورت استفاده مي‌کنند (شکل 1) : 1 - تحريک مستقيم باند گپ نانولولههاي نيمه‌هادي؛ 2 - استفاده از نانولولههاي رسانا به عنوان مجرايي براي عبور حامل‌هاي بار از نانوساختارهاي جمع‌کنندة نور. در بخش بعد روشي که نانولوله‌ها را به‌صورت لايه‌اي متراکم درآورده و به عنوان الکترود حساس به فوتون روي سطح رساناي پيل‌هاي خورشيدي مي‌نشانند توضيح داده شده‌است. شمايي از دو روش موجود در شکل (1) آمده است. رسوب الکتريکي نانولولههاي کربني تک‌ديواره روي الکترود شيشه‌اي رسانا قدم اول در ساخت پيل‌هاي خورشيدي، سوار کردن نانولوله‌ها به‌صورت فيلم نازک روي سطح الکترود است که در اين زمينه روش‌هاي مختلفي وجود دارد. در اين آزمايش از روش بسيار مؤثر رسوب الکترو فورتيک (electrophoretich) در نشاندن نانولولههاي کربني روي سطح الکترود، استفاده شده است. ابتدانانولوله‌هاي کربني به همراه نمک آمونيوم (تترا اُکتيل آمونيوم برمايد يا TOAB) در تتراهيدروفوران (THF) حل مي‌شوند. سپس اين سوسپانسيون به پيل الکترو فورتيک شامل دو الکترود موازي شفاف به نور (OTE) به ضخامت پنج نانومتر، انتقال مييابد. بعد از برقراري ولتاژ 40 ولت مستقيم (dc) نانولوله‌ها به‌سمت الکترود مثبت رفته، بعد از دو تا سه دقيقه فيلم نازکي از نانولولههاي تک‌ديواره روي سطح الکترود رسوب مي‌کند (شکل 2) با افزايش زمان اعمال ولتاژ، ضخامت فيلم نانولولههاي تک‌ديواره افزايش مييابد. لايه تشکيل‌شده کاملاً قوي و براي اندازه‌گيري‌هاي الکتروشيميايي نيز مناسب است. هنگامي که ميدان مستقيم بين دو الکترود شيشه‌اي بيشتر از 100V/Cm باشد نانولوله‌ها به جاي رسوب روي سطح در عرض فضاي بين دو الکترود و به‌صورت صفوف هم‌خط و موازي روي هم رسوب مي‌کنند. اين تجمع نانولولههاي کربني کاملاً از هم جدا بوده و به‌صورت بسيار جالب و مناسب در يک خط و به صورت عمود بر سطح الکترود قرار مي‌گيرند. نمونه‌اي از آن چه در ولتاژهاي بالا ايجاد شده در شکل (2) آورده شده‌است. بنابراين به‌سادگي مي‌توان جهت‌گيري و رسوب‌دهي لايه‌هاي نانولولههاي تک‌ديواره را با کنترل ولتاژ تغيير داد. به روشي مشابه مي‌توان فيلم نانولولههاي تک‌ديواره و SCCNT ، را روي سطح الکترودهاي ديگري مثل صفحات بسيار نازک کربني رسوب داد. براي تعيين مورفولوژي الکترودهاي متشکل از نانولولههاي تک‌ديواره و SCCNT از ميکروسکوپ الکتروني روبشي SEM استفاده شده که تصاوير آن در شکل (3) آورده شده‌است. |
| جداسازي بارهاي القاء شدة فوتوني در فيلم نانولولههاي تک‌ديواره |
|
از خواص جالب نانولولههاي کربني نيمه‌هادي، توانايي آنها در پاسخ‌دهي به نور است.
به عنوان مثال در سالهاي اخير با استفاده از پاسخ الاستيک كلاف هاي موازي نانولولههاي
کربني که بين دو الکترود فلزي قرار گرفته بودند، خاصيت تحريک‌پذيري فوتوني فيلم‌هاي
نانولولههاي کربني مشخص شده است. آوريس و همکارانش (Avouris) پديده لومينسانس حامل‌هاي
تابش‌کنندة بار را بهوسيلة ترانزيستورهاي اثر- ميداني (FET) نانولولههاي کربني دو‌قطبي
مشاهده کردند. الکترون- حفره‌ها به يک مدار خارجي تزريق مي‌شوند و با ترکيب مجدد
آنها نور توليد مي‌شود. گزارش‌هاي اخير در مورد اثر فلوئورسانسي باند گپ از نمونه‌هاي نانولولههاي نيمه‌هادي تك ديوارة منفرد، نشان مي‌دهد که امکان تصحيح خواص اپتيکي نانولوله به كمك نانولوله هاي منفرد وجود دارد. مطالعات اسپکتروسکپي نشان مي‌دهند که زمان ماندن جفت الکترون- حفره در لبة لايه حدود صد فمتوثانيه بعد از القاي فوتوني ون هو (van Hove) در ساختار لوله‌اي است. مطالعات اخير نشان دهندة توانايي ساختار لايه‌اي نانولوله‌ها در جداسازي جفت الکترون- حفره بهوسيلة القاي نورمرئي است. به‌منظور استفاده از حامل‌هاي بار توليدشده بهوسيلة فوتون براي ايجاد جريان الکتريسيته، ترکيب مجدد حامل‌هاي بار محدود شده فضايي در نانولوله به وسيلة برهم‌کنش‌هاي کولمبي با پيوندهاي دوگانه که اکسايتون نام دارند، جفت مي‌شوند. اغلب اين اکسايتون‌ها از سطوح بالاي 2 C و 2 V ، از طريق گذارهاي بين باندي به ترازهاي 1 C و 1 V زير گپ افت کرده، و بدين ترتيب يک اکسايتون زير باندگپ ثانويه (Second Sub-bandgap) را مي‌سازند. تنها کسر کوچکي از اكسايتون ها قادر به تجزيه شدن و تشکيل الکترون- حفره‌هاي جفت‌نشده هستند. جداسازي اكسايتون‌ها به‌دليل ايجاد حالت بارهاي تفکيکي نقش مهمي در توليد جريان فوتوني دارد. جداسازي بارها در نانولوله‌ها بهوسيلة طيف‌سنجي با پروب پمپ ليزر فمتوثانيه‌اي (Femtosecond laser pump-probe spectroscopy) به‌خوبي مورد تحليل و بررسي قرار مي‌گيرد. اين روش براي تحقيق در مورد فرايندهاي بسيار سريع که بر اثر تحريک نانولولههاي کربني يا مواد نيمه‌هادي اتفاق مي‌افتند،بسيار مفيد است. در يک آزمايش واقعي، تغييرات جذب در نمونه در زمان‌هاي گذار متفاوت از طريق تحريک با يک پالس ليزري کوتاه ثبت شده‌است. طيف‌هاي جذبي مختلف در زمان‌هاي گذار مختلف با تحريک سوسپانسيون نانولولههاي تک‌ديواره در HTF با پالس ليزري 387 نانومتر با پهناي 130 فمتوثانيه ثبت شده است. در شکل (5) نمونه‌اي از طيف جذب انتقالي و از بين رفتن جذب در پالس 700 نانومتر نشان داده شده‌است. القاي فوتوني باعث رنگبري (bleaching) جذب نانولولههاي تک‌ديواره در ناحية قرمز طيف مي‌شود. پهناي باند بي‌رنگ با تغيير قطر نانولوله‌ها و زاويه کايرال و توده شدن ذرات تغيير مي‌کند و بي‌رنگ شدن در ناحية مرئي که مطابق انتقال V2-C2 است در کمتر از يک پيکوثانيه تجديد مي‌شود که از اين بابت شبيه به ايجاد باند الکترون- حفره و يا انتقال برانگيختگي به باند C1- V1 است. محققان مشاهده کردند که جمع‌آوري جفت الکترون- حفره در باند گپ اصلي V1-C1 و طول عمرشان (100-10 پيكوثانيه) به‌شدت به برانگيختگي بستگي دارد. اين دانشمندان براساس تفاوت‌هايي که بين بازيافت جذب انتقالي و از بين رفتن گسيل‌ها وجود دارد معتقدند كه پيچيدگي‌هاي حالت‌هاي مختلف به دام انداختن بار، فاکتور مهمي در انتقال الکترونيکي محسوب مي‌شود. به طور کلي حضور چنين حالت‌هاي سطحي، در تثبيت حامل‌هاي بار توليدي و شرکت در توليد جريان فوتوني بسيار مؤثر است و با افزايش احتمال جمع‌آوري در سطح الکترود، افزايش جداسازي بارها نيز قطعي مي‌شود. بي‌رنگ شدن انتقالي که به دنبال القاي پالس ليزري ايجاد مي‌شود نشان‌دهندة تجمع تعداد قابل قبولي از حامل‌هاي بار روي نانولولههاي تک‌ديوارة موجود است. سؤالي که در اينجا مطرح مي‌شود چگونگي جمع‌آوري مناسب حامل‌هاي بار فوتوالقايي توليدشده روي نانولولههاي تک‌ديواره براي توليد جريان الکتريکي است، مانند آنچه در نيمه‌هادي‌هاي ديگر و پيل‌هاي فوتوولتائيک ديگر اتفاق مي‌افتد. |
|
سلولهاي خورشيدي فوتوالکتروشيميايي با استفاده از نانولولههاي تک‌ديواره و SCCNTهاي رسوب‌داده‌شده به روش الکتروفورتيک، به عنوان الکترودهاي حساس در مقابل ذره‌هاي فوتون، مي‌توان سلولهاي فوتوالکتروشيمي ساخت. با توليد زوج اكسايش- كاهش مانند (-I2/I3) در حلال استونيتريل مي‌توان الکتروليت رسانايي بين فيلم نانولوله و الکترود شمارنده پلاتين به وجود آورد. شکل‌هاي (6) و (7) نشان‌دهندة پاسخ فيلم نانولولههاي تک‌ديواره در برخورد با نور گسيل‌شده است. نور برخوردي (با طول موج بزرگتر از 400 نانومتر) باعث برانگيخته شدن نانولولههاي تک‌ديواره ها و توليد حامل‌هاي بار مي‌شود. ايجاد آني جريان فوتوني را بعد از برانگيخته شدن در شکل (6) مشاهده مي‌کنيم. بيشترين جريان و ولتاژ ايجاد شده در اين آزمايش به‌ترتيب 8µA/Cm2 و 12mV است. بازدهي تبديل فوتوني به‌صورت نسبت فوتون‌هاي گسيل‌شده به حامل‌هاي بار (IPCE) تعريف مي‌شود که با اندازه‌گيري جريان فوتوني در طول موج‌هاي القائي متفاوت به وجود آمده‌است. بيشترين مقدار IPCE در حدود 15/0 درصد در طول موج 400 نانومتر به دست آمده‌است، اين در حالي است که انتظار مي‌رفت اين مقدار براي پيل‌هاي خورشيدي فوتوشيميايي در بازة 90-80 درصد باشد. گرچه مقدار IPCE به‌دست‌آمده براي پيل‌هاي خورشيدي ايجادشده بهوسيلة نانولوله‌ها نسبتاً کم است ولي قابليت تكرار و تجديدپذيري اثر فوتوالکتروشيميايي مي‌تواند باعث ايجاد جريان پايدار در زوج اكسايش- كاهش موجود (I2/I3-) شود. توليد جريان کاتدي فيلم نانولولههاي تک‌ديواره سازوكاري را نشان مي‌دهد که در آن حفره‌هاي توليدشده بهوسيلة فوتون در سطح OTE جمع مي‌شوند و در يک گردش خارجي به الكترود شمارنده انتقال مييابد. ايجاد مجدد زوج اكسايش- كاهش (I2/I3-)، باعث پاک شدن سطح الکترود از بارها مي‌شود که خود در رساندن جريان فوتوني به حالت پايدار نقش بسزايي دارد. مشاهدة جريان فوتوني کاتد باعث تقويت اين نظريه مي‌شود که نانولولههاي تک‌ديواره استفاده‌شده در اين تحقيق داراي خواص نيمه‌هادي نوع p هستند. قرار دادن لايه‌اي از SnO2 روي OTE ، سطح وي‍ژه را براي جمع‌آوري بارهاي توليدشدة فوتوني افزايش مي‌دهد و همان طور که از نتايج نيز برمي‌آيد اين افزايش سطح الکترود باعث سه برابر شدن جريان فوتوني در سيستم مي‌شود. نانولولههاي کربني تك ديواره و يا چندديواره اغلب حالت توده شدن و تجمعي به خود مي‌گيرند؛ اما نانوذرات SCCNT هنگامي که روي سطح الکترود رسوب مي‌کنند به‌صورت ذرات مجزا هستند. تفاوت در شکل (مورفولوژي) اين دو فيلم در تصاوير SEM (شکل 3) قابل مشاهده است. همان طور که در مطالعات قبلي نيز خاطر نشان شده‌است اين لوله‌هاي توخالي داراي بخش عمده و قابل توجهي لبه‌هاي خارجي و روباز هستند که نيروي واندروالس بين لوله‌ها را به کمترين مقدار خود مي‌رساند. به طور کلي فيلم‌هاي SCCNT در پيل هاي فوتو الکتروشيميايي عملکرد بهتري نسبت به نانولولههاي تک‌ديواره نشان مي‌دهند. الکترود OTE/SnO2/SCCNT به محض قرار گرفتن در معرض القاي نورمرئي جريان فوتوني ايجاد مي‌کند (فيلم SCCNT روي الکترود شيشه‌اي رسانايي ساخته شده‌است که روي آن ذرات SnO2 قرار گرفته‌است) . براي ايجاد جريان آندي، الکترون‌هاي توليدشدة فوتوني درSCCNT بهوسيلة نانوکريستال‌هاي SnO2 جمع مي‌شود. رفتار SCCNTهاي به‌وجودآمده بيشتر شبيه نيمه‌هادي‌هاي نوع n است که درست مخالف رفتار فيلم نانولولههاي تک‌ديواره عمل مي‌كنند. بررسي اثر آلايش ذاتي نانولوله‌ها (dopant) در طول سنتز آنها و يا تأثير عوامل شيميايي در ايجاد خواص نيمه‌هادي نوع n يا p در نانولولههاي کربني بسيار مؤثر است. مقدار بازده تبديل فوتون‌ها در طول موج‌هاي القايي متفاوت، در شکل (8) نشان داده شده‌است که بيشترين آن در چهار درصد بدون هيچ گونه باياس و در 17 درصد تحت باياس 2/0 ولت اتفاق مي‌افتند. اعمال باياس خارجي بهوسيلة بار پتانسيل، فرايند جلوگيري از دوباره ترکيب شدن بارها در حرکت به‌سمت سطح الکترود را تسهيل مي‌کند. در شرايط يکسان آزمايشگاهي، مقدار IPCE ثبت‌شده براي الکترود SCCNT نسبت به الکترود نانولولههاي تک‌ديواره يك مرتبه بزرگتر است. هدف ما بالا بردن کارايي سيستم نسبت به پيل‌هاي خورشيدي ديگر و رساندن اين بازده به صد درصد، چيزي نزديک به مدل‌هاي تئوري است که بهوسيلة تصحيح خواص سطحي و مورفولوژي نانولولههاي تک‌ديواره و SCCNT در حال انجام است. |
|
هيبريدهاي نانولوله تک‌ديواره- نيمه‌هادي در سلولهاي فوتوالکتروشيميايي که بر اساس نانوساختارها و يا فيلم‌هاي نيمه‌هادي مزوسکوپيک شکل گرفته‌اند انتقال الکترون در عرض ذرات، قابليت كاهش بازترکيب مجدد در مرزدانة ذرات را دارد. استفاده از نانولولههاي کربني در سيستم‌هاي جمع‌آوري نور (مانند نيمه‌هادي‌ها) راه بسيار مؤثر و مناسبي براي تحت نفوذ قرار دادن همة سيستم‌هاي جمع‌آوري فوتون است. در شکل (9) اين دو روش قابل مشاهده هستند. نانولولههاي تک‌ديواره کانديداي ايده‌آلي براي مجراي جمع‌آوري و انتقال بار سيستم‌هاي جمع‌آوري نور است. از موارد مورد توجه کامپوزيت CdS/SWNT (کادميوم سولفيد/نانولولة تک‌ديواره) است که مي‌تواند بهوسيلة نور مرئي جرياني فوتوني با راندمان بسيار بالا ايجاد كند. نانولولههاي تک‌ديواره از روشنايي و درخشندگي کادميوم جلوگيري مي‌کند و درخشندگي آن بهوسيلة نانولولههاي تک‌ديواره فرو نشانده مي‌شود. آزمايش‌هاي جذب انتقال، غيرفعال شدن سريع برانگيختگي کادميوم سولفيد (CdS) را روي سطح نانولولههاي تک‌ديواره تأييد مي‌کند همان‌طور که بي‌رنگ شدن انتقالي آن در حدود 200 پيکوثانيه تجديد مي‌شود. به‌منظور آزمايش فرضيات مربوط به انتقال الکترون بين CdS برانگيخته شده و نانولولههاي تک‌ديواره در لاية کامپوزيت، بايد ذرات کادميوم سولفيد را روي الکترود نانولولههاي تک‌ديواره رسوب دهيم (مثل OTE/SWNT/CdS) ؛ ابتدا بهوسيلة رسوب دهي الکتروفورتيک فيلم نانولولههاي تک‌ديواره را روي OTE رسوب مي‌دهيم و بافروبردن الکترودها در محلولي شامل Cd2+وS2- نانوکريستال‌هاي CdS شکل مي‌گيرند، سپس الکترودها بهوسيلة آب ديونيزه‌شده کاملاً شسته مي‌شوند، به‌طوري كه تنها يون‌هاي جذب‌شدة Cd2+ با S2- واکنش مي‌دهد. قابل توجه اينكه بعضي از اين روش‌هاي رسوب دهي جذب يوني شبيه به روش‌هايي است که براي ساخت فيلم‌هاي نانوساختار از فلزات كالكوژني بر روي اکسيد فلزات استفاده مي‌شود. همچنين يون Cd2+ به‌آساني روي نانولولههاي تک‌ديواره جذب و با S2- واکنش داده و نانوکريستال‌هاي CdS را با ضخامت 500 نانومتر تشکيل مي‌دهد. در اين جا از الکترود OTE/SWNT/CdS سلول فوتوالکتروشيميايي شامل محلول استونيتريل با 1/0 درصد تري اتانول آمين که به عنوان دهندة الکترون از‌بين‌رونده‌است استفاده شده‌است. تري‌اتانول‌آمين در از بين بردن حفره‌هاي فوتوني ايجادشده در سطح الکترود، دچار اکسيداسيون غيرقابل برگشت مي‌شود. با تحريك فيلم نانولولههاي تک‌ديواره بهبود يافته با CdS بهوسيلة نور مرئي (380 <λ نانومتر) جريان فوتوني در آن مشاهده مي‌شود. براي حالتي که ولتاژ مدار باز حدود 200mV و جريان مدار کوتاه 6/2 ميكرو آمپر است، تابعيت IPCE با طول موج القايي در شکل (10) نشان داده شده‌است. کم شدن IPCE در500 نانومتر و به دنبال آن جذب اختصاصي CdS مشاهده مي‌شود (نمودار ضميمه‌شده در شکل 10) . همان طور که در طيف‌هاي فعال جريان فوتوني مشخص است جريان ايجادشده، تحت تأثير القاي اوليه CdS قرار مي‌گيرد. به علاوه مشاهدة جريان آندي فيلم SWNT/CdS، نشان‌دهندة جهت جريان از CdS به الکترود جمع‌آوري است که بهوسيلة شبکة نانولولههاي تک‌ديواره پوشانده شده‌است. به هر حال قابليت سيستم‌هاي نانوکامپوزيتي CdS/SWNT در جداسازي بارهاي فوتوالقايي موجب ايجاد روند جديدي در طراحي ساختارهاي جمع‌آوري نور شده‌است. |
|
ساختار نانولولة تک‌ديواره- پورفيرين نانولولههاي تک‌ديواره داراي سطح منحني‌شکل ويژه‌اي هستند که اتصال آنها را به مولکول‌هاي آلي بزرگ بهوسيلة برهم‌کنش‌هاي غيرکووالانسي يا نيروهاي آب‌گريز، آسان مي‌کند. مولکول‌هايي مانند مولکول پورفيرين ميل زيادي به تركيب غيرکووالانسي با نانولولههاي تک‌ديواره از طريق برهم‌کنش π-π دارند. برهم‌کنش بين پورفيرين و نانولولههاي تک‌ديواره مي‌تواند براي رسيدن به ساختار سوپرمولکولار تنظيم شود. براي رسيدن به ساختار مورد نظر مي‌توان با استفاده از چنين خواصي، ترکيب پورفيرين- پروتونه (H4P2+) نوع H و J را به صورت توده‌شده روي سطح نانولولة تک‌ديواره جايگزين کرد. همچنين اين پديدة غيرمعمول، يعني توده شدن روي نانولولة تک‌ديواره، مي‌تواند کامپوزيت‌ها را به‌صورت باندهاي خطي در کنار هم قرار دهد. پورفيرين يک مولکول فوتوني فعال است که اغلب به‌منظور ايجاد (تقليد) فرايند فوتوسنتز طبيعي در آزمايشگاه مورد استفاده قرار مي‌گيرد. انتقال بار بين پورفيرين و نانولولههاي تک‌ديواره بهوسيلة القاي نورمرئي انجام مي‌شود. همچنين نانولولههاي تک‌ديواره در انتقال الکترون‌هاي توليدشدة فوتوني به سطح و جمع‌آوري در سطح پيل فوتوالکتروشيميايي نقش بسزايي دارند و موجب تسهيل اين امر مي‌شوند. لاية هدايت نانولولههاي نيمه‌هادي در بازة صفر تا نيم ولت بر حسب الکترود هيدروژني نرمال (NHE) قرار مي‌گيرد. انتقال بار از پورفيرين برانگيخته‌شده به مرزهاي نانولولههاي تک‌ديواره به‌صورت زير است: |
|
1) NT-H4P2++hv ® SWNT-1 (H4P2+) + 2) (SWNT-1 (H4P2+) + ® SWNT- (H4P+ |
|
سيستم‌هاي مولکولي نانولولههاي تک‌ديواره و پورفيرين پروتونه مي‌توانند بهوسيلة
رسوب الکتروفورتيک به‌صورت آرايه‌هاي سه‌بعدي روي لايه‌هاي نانوساختاري SnO2 آرايش
يابند. لاية کامپوزيتي SWNT-H4P2+ که روي سطح الکترود قرار گرفته، با اعمال پتانسيل
2/0 ولت بر حسب SCE، بازدهي (IPCE) سيزده درصد نشان مي‌دهد. الکترودهاي تهيه‌شده از نانولولههاي تک‌ديواره از طريق تقويت انتقال بار در اثر تعامل با پورفيرين القايي و ايجاد مجرايي براي انتقال الکترون‌هاي تزريق‌شده به الکترودِ جمع‌آوري، ايفاي نقش مي‌کنند. با توجه به اين مطالب، طراحي دقيق ساختمان نانولوله‌ها و توجه به خواص سطحي آنها در بهبود بازدهي پيل‌هاي خورشيدي الکتروشيميايي نقش بسزايي دارد. نتيجه‌گيري مثال‌هاي مورد بحث در اين مقاله موارد جالبي را در زمينة خواص فوتوالکتروشيميايي نانولولههاي کربني ارائه مي‌دهد. بهبود جداسازي بارها در نانوساختارهاي کربني باعث ايجاد پيشرفت‌هاي زيادي در طراحي و توليد پيل‌هاي خورشيدي مي‌شود. ايجاد روش‌ها و راهبردهاي مناسب براي نشاندن دو يا چند جزء روي سطح الکترود، از عوامل کليدي در بهبود کارايي پيل‌هاي خورشيدي به شمار مي‌رود که در همين مسير براي ايجاد و تکميل سيستم‌هاي هيبريدي با توانايي و کارايي مضاعف در زمينة طراح‌هاي تبديلي انرژي خورشيدي احتياج به تلاش‌ها و فعاليت‌هاي زيادي است. |
|
|
|
شکل 1. روش‌هاي استفاده از نانولولههاي کربني در پيل‌هاي خورشيدي فوتوشيميايي بهوسيلة:
(چپ) برانگيختگي مستقيم نانولوله‌هاي‌کربني و (راست) برانگيختگي ساختارهاي تجمع نور
که نانولولههاي کربني روي آنها ثابت شده‌اند. الکترون- حفره‌هاي ايجادشده بهوسيلة
القاء فوتوني به‌صورت h وe نشان داده شده‌است. يکي از حامل‌هاي بار روي سطح الکترود
جمع مي‌شود و ديگري با اکسيد شدن (O) يا احيا شدن (R) توسط زوج اکسايش- کاهش موجود
در الکتروليت، از سطح الکترود پاک مي‌شود. |
|
|
|
شکل 2. سوسپانسيون نانولولههاي تک‌ديواره در THF به‌صورت رسوب فيلمي نازک روي
الکترود رساناي شيشه‌اي OTE در ميدان dc پايين (کمتر از 100V/Cm) و يا رسوب
نانولولههاي تک‌ديواره به‌صورت كلاف هاي خطي بر سطح الکترود در ميدان dc بالا قابل
رؤيت است. |
|
|
|
شکل 3. تصاوير SEM از فيلم رسوب‌داده‌شدة الکتروفورتيک (a): نانولولههاي تک‌ديواره
(b): نانولولههاي stacked - cup |
|
|
|
شکل4. نمايي از چگالي حالت‌ها در يک نانولوله کربني. حفره‌هاي ايجادشده به‌وسيله
فوتون در سطح الکترود محصور مي‌شوند که خود باعث ايجاد جريان در پيل فوتوالکترو
شيميايي مي‌شود. C1 و C2 مربوط به لاية هدايت و V1 وV2 مربوط به لاية ظرفيت هستند.
h وe نيز حفره و الکترون ايجادشده در اثر تحريک نوري نانولولههاي تک‌ديواره هستند. |
|
|
|
شکل 5. طيف جذب انتقالي زمان ثابت براي سوسپانسيون نانولولههاي تک‌ديواره در THF
با استفاده از پالس ليزري 387 نانومتر با پهناي 150 فمتوثانيه و 0=t∆. |
|
|
|
شکل 6. جريان فوتوني (a) و ولتاژ فوتوني (b) سيکل هاي قطع- وصل براي فيلم برانگيخته‌شدة
OTE/SWNT بهوسيلة نورمرئي (P~100mW/Cm2 و 400nm< ) الکتروليت شامل 5/0 مول LiI و
0.01 مول از I2 در استونيتريل است و الکترود شمارنده (CE) از پلاتين تشکيل شده‌است. |
|
|
|
شکل 7. طيف حرکتي جريان فوتون‌ها در الکترود (a) OTE/SWNT و OTE/SnO2/SWNT که نشان‌دهندة
ميزان بازده IPCE در طول موج‌هاي القايي متفاوت است. الکترود شمارنده از جنس پلاتين
و الكتروليت شامل 5/0 مول LiI و 0.01 مول از I2 در استونيتريل است. در نمودار ضميمه‌شده
طيف جذبي فيلم نانولولههاي تک‌ديواره که بهوسيلة رسوب روي الکترودهاي OTE و OTE/SnO2
به وجود آمده‌است نشان داده شده‌است. خط (c) فقط الکترود OTE است. براي تعيين IPCE
از فرمول زير استفاده شده‌است:100 (isc/Iinc / = که Isc جريان فوتوني مدار کوتاه و
Iinc شدت نور گسيل‌شده است. |
|
|
|
شکل 8. طيف حرکتي جريان فوتوني براي الکترود OTE/SnO2/SCCNT a) تحت پتانسيل باياس
2/0 ولت بر اساس SCE و b) بدون هيچ پتانسيلي. نمودار ضميمه‌شده نشان‌دهندة جريان
فوتوني مدار کوتاه (ISC) براي الکترودهاي: OTE/SnO2/SCCNT تحت پتانسيل با ياس 2/0
ولت بر حسب SCE و OTE/SnO2/SCCNT بدون هيچ پتانسيلي و OTE/TiO2/SCCNT بدون هيچ
پتانسيلي. شکل سمت راست نشان‌دهندة جداسازي بارها در فيلم SCCNT و انتقال الکترون
به سطح الکترود است. همچنين تصوير SEM از فيلم SCCNT نشان داده شده‌است (توان ورودي
معادل78mW/Cm-2 و 400nm< است). |
|
|
|
شکل 9. تشريح انتقال تصادفي حامل‌هاي بار در فيلم‌هاي نيمه‌هادي مزوپور بر حسب جهت
انتقال بار در نانولوله‌ها در ساختارهاي هيبريدي تشکيل‌شده. |
|
|
|
شکل 10. ميزان بازده IPCE براي الکترود OTE/SWNT/CdS. نمودار ضميمه شده نشان‌دهندة
تفاوت جذب بين OTE/SWNT/CdS و فيلم نانولولههاي تک‌ديواره خالص است. |
|
|
|
|
شکل11 |
|
|
نانوذرات، روان كننده، كاهش اصطكاك