آیا این نانوکامپوزیت جدید می‌تواند عملکرد انرژی خورشیدی را بهبود بخشد؟
این مطالعه در مجله Alloys and Compounds منتشر شده است و نشان می‌دهد که چگونه این تیم نانوکامپوزیت جدید CO@CuO.γ-Al2O3 با استفاده از گرافن و مس اکسید ساخته است.
سپس محققان نشان دادند که چگونه مواد نانوکامپوزیت جدید عملکرد رسانایی گرمایی را برای نانوسیال‌های جدید افزایش می‌دهد. به گفته نویسندگان مقاله، این ویژگی آن را به یک نامزد خوب برای کاربردهای انرژی خورشیدی با کارایی بالا تبدیل می‌کند.
گرافن در تولید انرژی خورشیدی
ویژگی‌های بافتی و الکترونیکی گرافن در سال‌های اخیر با افزودن مواد فوتوکاتالیست اکسید فلزی افزایش یافته است و امکان استفاده از کامپوزیت آن را در سلول‌های انرژی خورشیدی فراهم می‌کند. در حال حاضر نانوکامپوزیت‌های بر پایه اکسید فلزی در مرکز تحقیقات کلیدی قرار دارد. این امر به دلیل پایداری بالا نسبت به خوردگی و غیر سمی بودن، علاوه بر در دسترس بودن و خواص فوتوکاتالیستی آنها است.
دستیابی به یک معماری مناسب برای به حداقل رساندن اتلاف الکترون در اتصالات درون نانوساختار ماده، یک چالش بوده‌است. این مرحله برای کنترل راندمان بالای مواد فوتوآند و الکترود کانتر مبتنی بر کامپوزیت گرافن مورد نیاز است. بهره‌گیری از ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌های گرافن کاربردهای قابل توجهی در فناوری انرژی خورشیدی دارد. جذب فوتون، جداسازی بار و انتقال حامل بار، همگی از نانوکامپوزیت‌های مبتنی بر گرافن سود می‌برند.
گرافن: ماده شگفت انگیز
این تیم، نانوکامپوزیت جدید را با بارگذاری یک نانوصفحه گرافن اکسید (GO) با نقطه‌های کوانتومی از مواد نانوی دیگر ساخت. آنها از نانومیله‌های مس اکسید (CuO) و نانوذرات آلومینیوم اکسید (γ-Al2O3) برای تشکیل یک نانوکامپوزیت مبتنی بر گرافن اکسید (GO@CuO.γ-Al2O3) استفاده کردند. ترکیب این مواد به تکنیک‌های فناوری نانو پیشرفته پراش اشعه ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نیاز داشت.
پتانسیل زتا برای مشخص کردن نانومواد ساخته شده مورد استفاده قرار گرفت و نتایج تأیید کرد که نانومیله‌ها و نانوذرات با موفقیت بر روی سطح گرافن اکسید بارگذاری شده‌اند.
افزایش رسانایی حرارتی
برای آزمایش رسانایی حرارتی این مواد، تیم آنها را با آب پردازش کرد تا نانوسیال‌های جدید تولید کند. محققان غلظت‌های مختلفی از نانوسیال را در دماهای مختلف از ۲۰ تا ۵۰ درجه سانتی‌گراد مورد بررسی قرار دادند. محققان دریافتند رسانایی گرمایی در نانوسیال GO@CuO.γ-Al2O3 در مقایسه با آب تا 22.56 درصد افزایش یافته است. این اثر با بیشترین غلظت آزمایش شده یعنی 0.2 درصد نانومواد به دست آمد.
مناسب برای کاربردهای انرژی خورشیدی با کارایی بالا
به گفته نویسندگان مقاله، این نتایج به این معنی است که نانوکامپوزیت GO@CuO در تولید جریان نوری بهتر از سایر نانوکامپوزیت‌هایی است که امروزه در انرژی خورشیدی استفاده می‌شوند.
GO@CuO همچنین دارای کمترین شدت نورتابی (PL) تست شده بود. PL گسیل نور جذب شده به صورت فوتون است. شدت PL کم، نوترکیبی حامل بار کمتر و برداشت نور بالاتر را امکان‌پذیر می‌کند. تولید حامل بار و نوترکیب، حامل‌های بار متحرک (الکترون‌ها و حفره‌های الکترونی) را قادر می‌سازد تا در فیزیک حالت جامد نیمه‌رساناها ایجاد و حذف شوند. این فرآیندها برای عملکرد دستگاه‌های نیمه‌رسانای نوری اساسی هستند. نویسندگان این مطالعه گفتند که نتایج PL برای نانوکامپوزیت‌های GO@CuO نشان داد که آنها برای کاربردهای سلول خورشیدی مناسب هستند. در نتیجه، تیم گفت، GO@CuO.γ-Al2O3 و GO@CuO نامزدهای خوبی برای بهبود عملکرد انرژی خورشیدی هستند.
گرافن در سلول‌های خورشیدی
این پژوهش بخشی از مجموعه تحقیقاتی رو به رشدی است که کاربردهای فراوان گرافن در فناوری‌های پیشرفته را بررسی می‌کند. گرافن، آلوتروپ کربن است که در آن یک لایه‌اتم در یک نانوساختار شبکه قرار دارد و یک رسانای شفاف است که در مواد و دستگاه‌های مختلف استفاده می‌شود. فناوری سلول‌های خورشیدی یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردها برای مواد جدید بوده است.
این ماده با نانوساختار سطح دو بعدی منحصر به فرد خود از میدان‌های الکتریکی محلی بالا جلوگیری می‌کند. این امر انتقال الکتریکی بار روی سطح را کند می‌کند و کنترل آن را آسان‌تر می‌کند. گرافن همچنین به دلیل شفاف بودن نسبت به پارتیشن خاصی از نور مادون قرمز عملکرد بهتری نسبت به اکسید قلع ایندیم دارد که به طور سنتی در تولید سلول خورشیدی استفاده می‌شود. در آرسنید سیلیکون یا گالیم (نیمه‌رساناهای معمول) برای هر فوتون جذب شده یک الکترون آزادانه ایجاد می‌شود. با این حال، این فقط مقداری از انرژی فوتون را جذب می‌کند، در حالی که بقیه انرژی با گرم شدن شبکه کریستالی نیمه‌رسانا از بین می‌رود. گرافن می‌تواند بر این مشکل غلبه کند و به طور بالقوه به یک ماده سلول خورشیدی بسیار کارآمد تبدیل شود.
ساختارهای دو بعدی منحصر به فرد گرافن آن را برای استفاده در دستگاه‌های سلول خورشیدی به عنوان یک الکترود شفاف، مواد انتقال حفره/الکترون و لایه بافر سطحی مناسب می‌کند.
گرافن علاوه بر استخراج و انتقال بار به الکترودها، می‌تواند با محافظت از تجهیزات در برابر تخریب محیطی، در تولید انرژی خورشیدی نیز نقش داشته باشد. این به دلیل ساختار شبکه دو بعدی حالت جامد آن است که دوام محیطی طولانی مدت را برای دستگاه‌های فتوولتائیک فراهم می‌کند.
پیشرفت‌های اخیر در سلول‌های خورشیدی گرافن عبارتند از: دستگاه‌های آلی پیوند ناهمگن توده‌ای (BHJ)، فناوری حساس به رنگ و سلول‌های خورشیدی پروسکایت است. فناوری اخیر در صنعت و تحقیقات، با بازده تبدیل رکوردشکن برای فتوولتائیک‌های تجاری مورد توجه قرار گرفته است.
درباره نویسنده «بن پیلکینگتون»
بن پیلکینگتون نویسنده، ویراستار و نمونه‌خوان مستقل با مدرک کارشناسی‌ارشد در رشته ادبیات انگلیسی از دانشگاه آکسفورد است. او با استفاده از ارتباط نوشتاری متعهد به شفاف‌سازی است و از گفتن داستان‌های پیچیده و فنی به شیوه‌ای مناسب و قابل‌درک، لذت می‌برد.