پیشرفتهای اخیر و راهبردهای آینده به منظور استفاده از نانولوله‌های کربنی در فتوولتائیک
این مقاله، مروری بر تحقیقات مربوط به استفاده از نانولوله‌های کربنی در فتوولتائیک و چگونگی تأثیر آن بر راهبردهای آینده این بخش در زمینه انرژی پایدار ارائه می‌دهد.
مزایای نانولوله‌های کربنی
نانولوله‌های کربنی (CNT ها) به مولکول‌های استوانه‌ای متشکل از ورقه‌های پیچیده شده از یک لایه منفرد از اتم‌های کربن گرافن اطلاق می‌شود. این مولکول‌ها می‌توانند تک جداره (SWCNT) با قطر کمتر از 1 نانومتر یا چند جداره (MWCNT) و دارای چندین نانولوله به هم پیوسته به قطر بیش از 100 نانومتر باشند. پیوندهای شیمیایی بین CNT ها بسیار قوی هستند و آنها را به عنوان مدعی برجسته‌ای برای استفاده در مواد جدید تبدیل کرده‌است.
با ویژگی‌هایی چون استحکام بالا و وزن کم، همراه با خواص رسانایی و حرارتی بسیار زیاد، این نانوفناوری برای استفاده در تقویت سازه‌ها رایج شده‌است. استفاده از آنها به پلیمرها، تقویت رسانایی و یا به عنوان روشی برای کنترل آن مانند بسته‌بندی ضد استاتیک بسط یافته‌است.CNT ها همچنین در مواد کامپوزیتی بالک و فیلم‌های نازک مورد استفاده قرار می‌گیرند.
SWCNT ها به دلیل مزایایی مانند انعطاف‌پذیری و اینکه کاملاً از کربن ساخته شده‌اند، پتانسیل زیادی را برای استفاده در فناوری نسل بعدی نشان داده‌اند. در نتیجه، امکان انهدام پایدار در پایان چرخه عمر یک محصول فراهم می‌شود و موجب پیشرفت اقدامات سبز در شرکت‌ها می‌گردد.
از آنجایی که کاربردهای SWCNT ها از فتونیک، مخابرات، باتری، دستگاه‌های حافظه تا تحقیقات سرطان، متفاوت است، تحقیقات بیشتری در مورد کاربرد آن در فناوری فتوولتائیک انجام شده‌است.
نانولوله‌های کربنی برای فناوری فتوولتائیک
نانولوله‌های کربنی را می‌توان به عنوان یک ماده چندمنظوره در فناوری‌های فتوولتائیک، به ویژه در اجزای مختلف سلول‌های خورشیدی، مانند اجزای حساس نور و تماس‌های حساس به حامل استفاده کرد. این کاربردها همچنین به جایگزینی لایه‌های استفاده‌شده برای غیرفعال‌سازی، که فلزات را از طریق یک پوشش نازک روی سطح بی‌اثر می‌کند، گسترش می‌یابد.
فیلم‌های رسانای شفاف می‌توانند با CNT ها جایگزین شوند، چون معمولاً به موادی نیاز است که رسانایی الکتریکی را ایجاد می‌کنند. علاوه بر این، شفافیت نوری و تطبیق‌پذیری CNT ها نشان‌دهنده مناسب بودن آنها به عنوان یک جایگزین مؤثر است.
پایداری شیمیایی و رسانایی CNT ها، به خصوص SWCNT ها، مناسب بودن آنها را برای تولید سلول‌های خورشیدی جدید و عناصر حساس نور افزایش می‌دهد. با این حال، کاربرد آن در بازار تجاری فناوری خورشیدی پیچیده است و پیش از این که گزینه‌ای عملی و مناسبی باشد، تحقیقات بیشتری نیاز است.
چالش‌های پیش رو
تحقیقات در زمینه‌هایی مانند جداسازی، خالص‌سازی و غنی‌سازی CNT ها و همچنین ادغام در عناصر حساس به نور برای استفاده از سلول‌های خورشیدی آلی یا سلول‌های خورشیدی سیلیکونی به عنوان یک تماس حساس به حفره، برای معرفی آنها در صنعت تجاری مفید خواهد بود. برای تحقق این امر، بحث‌های صنعتی در مورد هزینه باید مورد توجه قرار گیرند، که باعث تغییرات قابل‌توجهی در خطوط تولید خواهد شد.
هنوز برای پژوهشگران ایجاد انتخابی SWCNT با سطح کایرالیته دلخواه که به عدم تقارن بستگی دارد، امکان‌پذیر نیست. گذشته از همه اینها، ساختار اتمی آنها با کایرالیتی و توانایی آنها در "رول‌آپ" ساختار شبکه گرافنی آنها تعیین می‌شود.
تحقیقات در جهت دستیابی به رشد ویژه کایرال با روش‌هایی مانند شبیه‌سازی دانه‌های کایرالیتی منفرد نانولوله‌های بدون فلز و کاتالیزور و با استفاده از کاتالیزورهای آلیاژی جامد دوفلزی هنوز هم در حال انجام است.
جداسازی، خالص‌سازی و غنی‌سازی CNT ها برای کاربردهای فتوولتائیک ضروری است. آنها فرایندهای پردازش پیشرفتهای هستند که اطمینان می‌دهند عملکرد و کایرالیته CNT های خالص در سطح مطلوب‌تری است. با این حال، هزینه بالای این CNT های خالص صرف‌نظر از روش جداسازی هنوز برای شرکت‌هایی که ممکن است از جایگزین‌های کم‌هزینه فعلی سود ببرند، زیان‌بخش است.
آینده CNT ها در فتوولتائیک
انتقال CNT ها به صنعت نیاز به تلاش بیشتری برای ارتقاء خالص‌سازی آنها دارد.
تکنیک‌های خالص‌سازی پس از سنتز ممکن است به قابلیت دسته‌بندی کردن مخلوط ۲: ۱ مخلوط دوده CNT با توجه به قطر، طول و دیگر متغیرها پیشرفت کرده باشد، با این حال این فرآیند هنوز هم با محدودیت‌هایی مانند بازده کم و هزینه بالا مواجه است. اگرچه تولید مقیاس‌بندی‌شده به احتمال زیاد هزینه‌های بالا را جبران می‌کند، اما ممکن است به اندازه مواد فتوولتائیک آلی مرسوم مانند پلی‌تیوفن‌ها مقرون‌به‌صرفه نباشد.
در حالی که این حوزه‌های تحقیقاتی در ۲۰ سال گذشته با سلول‌های مبتنی بر سیلیکون با عملکرد بالا تقریباً قابل مقایسه با خطوط تولید صنعتی، پیشرفت‌هایی داشته‌اند، هنوز گام‌های قابل‌توجهی پیش از استفاده تجاری از CNT ها در بازار فناوری خورشیدی وجود دارد.
چالش‌ها، از جمله محدودیت در دامنه، قیمت و بازده دستگاه فناوری مشتق‌شده از SWCNT ها، نیاز به تحقیق بیشتر در این زمینه را نشان می‌دهد. در این صورت،CNT ها می‌توانند جایگزین موثری برای انرژی پایدار، کاهش آلودگی جهانی و نیاز به منابع انرژی تجدیدناپذیر باشند.
با رفع موانع فعلی CNT ها در فتوولتائیک، پیشرفت در حوزه‌هایی مانند افزایش جذب نور و ترکیبات مواد جدید می‌تواند روی عملکرد صنعتی در بسیاری از بخش‌ها تأثیر بگذارد و راه را برای آینده‌ای پایدارتر هموار کند.
درباره نویسنده «مرضیه خان»
مرضیه خان عاشق تحقیقات علمی و نوآوری است. او دارای فوق لیسانس فناوری نانو و پزشکی ترمیمی و همچنین لیسانس علوم زیست پزشکی است. او در حال حاضر در NHS کار می‌کند و درگیر یک برنامه نوآوری علمی است.