جایگاه نانولوله‌های کربنی در سلول‌های خورشیدی
محققان موسسه فناوری کارلسروهه آلمان نقشهٔ راهی برای کاربرد نانولوله‌های کربنی در سلول‌های فتوولتاییک پیشنهاد داده‌اند که تمام کاربردهای احتمالی آن‌ها را در انواع مختلف سلول‌های خورشیدی تجزیه و تحلیل می‌کند. آن‌ها در مقاله نانولوله‌های کربنی برای فتوولتاییک از آزمایشگاه تا صنعت که در مجله Advanced Energy Materials چاپ شده اظهار داشتند: «در اصل، تمام عناصر سلول خورشیدی، از مولفه‌های حساس به نور گرفته تا اتصالات حامل بار، لایه‌های منفعل و فیلم‌های رسانای شفاف را می‌توان با نانولوله‌های کربنی و کامپوزیت‌های آن‌ها جایگزین کرد».
دانشمندان، آینده درخشانی را برای نانولوله‌های کربنی در دستگاه‌های فتوولتاییک پیشبینی کردند و توضیح دادند که موانع کاربرد آن‌ها به طور مداوم در سطح تحقیق کاهش می‌یابد. آن‌ها به سه زمینه اصلی تحقیق اشاره کردند که می‌توانند به نزدیک شدن این فناوری به تولید صنعتی کمک کنند: جداسازی، خالص‌سازی و غنی‌سازی نانولوله‌های کربنی. ادغام آن‌ها در سلول‌های خورشیدی آلی به عنوان یک عنصر حساس به نور؛ و ادغام آن‌ها در سلول‌های خورشیدی سیلیکون به عنوان اتصالات گزینش حفره. تیم آلمانی توضیح داد: «هر سه زیرمجموعه در طی ۲۰ سال گذشته رشد فوق‌العاده‌ای را تجربه کردند و مطمئناً عملکرد سلول‌های مبتنی بر سیلیکون با سرعت به آن‌هایی که در خطوط تولید صنعتی هستند نزدیک می‌شود.»
در مورد اولین زمینه، محققان تصریح کردند که در تحقیقات اخیر روش‌های جداسازی با قابلیت انتخاب بالا در حلال‌های آبی و آلی توسعه یافته است و بیشترین کاربرد، روش استخراج پلیمر با پایه آلی است. آن‌ها همچنین توضیح دادند که این فرآیند نمی‌تواند به طور دلخواه بر روی تمام دوده‌های خام اعمال شود و به دو نوع نانولوله کایرال محدود می‌شود. گروه آلمانی اضافه کرد: «با استفاده از قیمت‌گذاری تامین‌کنندگان مواد شیمیایی معمول، می‌توان هزینه هر گرم محصول حاصل از استخراج پلیمر را تخمین زد و به سرعت مشخص می‌شود که چرا این روش برای صنعت همچنان جذاب نیست». آن‌ها افزودند: «بدیهی است که این تنها یک برآورد است و می‌توان در مورد کاهش هزینه‌های مرتبط با صرفه‌جویی در مقیاس، مطالعه کرد و بنابراین هزینه واقعی تولید بسیار کمتر خواهد شد، یا در واقع سایر گروه‌های تحقیقاتی عملکرد بهتری نسبت به ما دارند، اما بعید است که قیمت را به سطح قابل مقایسه با مواد فتوولتاییک آلی معمول کاهش دهد. اگر این مشکلات قیمت و بازده حل و فصل شود، رسیدن به تولید انبوه دور از ذهن نخواهد بود.»
در تحقیقات فتوولتاییک آلی، نانولوله‌های کربنی تک‌جداره برای جداسازی اکسیتون در لایه فعال نوری یا به عنوان گیرنده الکترون استفاده می‌شود. محققان می‌گویند: «سلول‌های خورشیدی مبتنی بر نانولوله‌های کربنی تک جداره، تقریباً بطور انحصاری در بین دو لایه، بستر اکسیدقلع ایندیم (ITO) و لایهٔ فلزاتی مانند نقره یا آلومینیوم ساخته شده‌اند.» عملکرد بالا در این دستگاه‌ها، تنها با نانولوله‌های کربنی تک‌جداره با خلوص نیمه‌رسانای بالا قابل دستیابی است. برای نزدیک کردن آن‌ها به عملکرد سلول‌های خورشیدی لایه‌نازک به تحقیقات بیشتری در جذب نور این سلول‌های خورشیدی نیاز است.
در سلول‌های فتوولتاییک سیلیکونی، نانولوله‌های کربنی به عنوان تماس انتخابی حفره و همچنین در نانولوله‌های کربنی: جوهر نافیون استفاده شده است که می‌تواند پیچیدگی ساخت سلول‌های خورشیدی نوع n را کاهش دهد. محققان تاکید کردند: «برای سلول‌های خورشیدی نانولوله‌های کربنی: سیلیکون، انتخاب کایرالیته معمولاً به دوده خام و / یا گونه‌های کایرال با انتقال نوری واقع در خارج از محدوده طیفی سیلیکون (۳۵۰ تا ۱۱۰۰ نانومتر) محدود می‌شود، بنابراین جذب نور توسط سیلیکون و / یا گونه‌های با قطر بزرگ به دلیل افزایش رسانایی به حداکثر می‌رسد.» تاکنون از سلول‌های خورشیدی مشابه سلول‌های آلی، با یک پنجره یا قاب در وسط ویفر سیلیکون، استفاده می‌شد. در این ساختار نانولوله‌ها به صورت جداگانه سنتز و به ساختار افزوده می‌شدند. اما این ساختار محدود است و قابلیت صنعتی شدن ندارد. محققان می‌گویند: «نانولوله‌های کربنی برای صنعتی‌سازی در این حوزه، باید جایگاه خود را پیدا کنند زیرا با مواد جایگزین و / یا طرح‌های فتوولتاییک نوین در رقابت شدید هستند. امیدوارکننده‌ترین کاربردهای نانولوله‌های کربنی ممکن است در پشت سلول‌های خورشیدی آلی یا تاندم این سلول‌ها با سلول‌های سیلیکونی حاوی نانولوله‌های کربنی باشد.»
در سال‌های اخیر، تحقیقات متعددی در مورد کاربرد نانولوله‌های کربنی در حوزه فتوولتاییک انجام شده است. اخیراً، محققان روسی با استفاده از نانولوله‌های کربنی تک‌جداره به عنوان بالاترین لایه، بازدهی سلول خورشیدی گالیم آرسنید را بهبود بخشیدند. همچنین دانشمندان در انستیتوی فناوری توکیو نانولوله کربنی تولید کردند که اتصال قوی با پروسکایت سرب-هالید تشکیل می‌دهد و عملکرد و پایداری آن را بهبود می‌بخشد.