فناوری نانو و مبحث انرژی (2)
سلول های خورشیدی ارزانتر
همان طور که می دانیم هر سلول خورشیدی حداقل یک اتصال N-P نیاز دارد تا بتواند یک میدان الکتریکی ایجاد کند، در یک سلول خورشیدی با فقط یک اتصال N-P تنها فوتونهایی (بسته های انرژی نور) که انرژی مساوی یا بیشتری از فاصله انرژی بین لایه والانس و لایه رسانایی (گاف ممنوعه) دارند قادر به رها کردن یک الکترون آزاد برای جریان در مدار هستند. به عبارت دیگر سلول یک اتصالی تنها از آن بخش از نور خورشید الکتریسیته می سازد که انرژی بیشتری از گاف ممنوعه ماده نیمه رسانا دارد. بنابر این فوتون های کم انرژی مورد استفاده قرار نمی گیرد.
سلول های خورشیدی سیلیكونی ساخته شده براساس فناوری های رایج،حداکثر در حدود 25 درصد در مقیاس آزمایشگاهی (بدون ملاحظه هزینه) و در نوع تجاری (با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی) حدود 14 درصد بازدهی دارند.
این كارایی بسیار پایین به دو عامل بستگی دارد: عامل اول این است که سیلیكون محدوده بسیار کوچکی از طیف نور را جهت تبدیل به جریان الكتریسیته، جذب میكند (این محدوده به گاف ممنوعه سیلیکون ارتباط دارد)، بقیه نور هم یا جذب نمی شود، یا به صورت گرما تلف می شود. عامل دوم این است که بخشی از انرژی جذب شده به علت رسانایی ضعیف و وجود مقاومت در داخل سلول خورشیدی از دست میرود.
نانو مواد جدید و ساختارهای خورشیدی در مقیاس نانو میتوانند در غلبه بر هر دو مانع به ما كمك كنند. غیر از سیلیکون نیمهرساناهای دیگر وجود دارند که می توانند در سلول های خورشیدی استفاده شوند. گالیم، ایندیوم و ژرمانیوم از نیمه رساناها هستند. هر نیمه رسانا یا ترکیب نیمه رساناها، هرنیمه رسانا یا ترکیب نیمه رساناها، گاف ممنوعه متفاوتی دارد. اگر ترکیبی از این نیمه رساناها یک به یک روی هم به صورت فیلم های نازک استفاده شود (در ضخامتی در حد چند ده نانومتر)، هر لایه می تواند طول موج های مختلفی از طیف نور را جذب کند، بنابراین مجموع انرژی دریافت شده، افزایش می یابد. به این سلول های خورشیدی سلول های چند اتصالی گفته می شود. در این سلول ها به جای یک اتصال N-P، چند اتصال N-P دارند. نام جدید این سلول ها، سلول های خورشیدی رنگین کمانی است چنین سلول هایی تا 35 درصد بازدهی به دست آوردهاند. یکی از فرصت های فناوری نانو برای سلول های خورشیدی نقاط کوانتومی هستند. پیش بینی می شود که در آینده نقاط کوانتومی پربازده ترین سلول های خورشیدی را با حدود 85 درصد کارایی ایجاد کنند. نقاط کوانتومی می توانند در اندازه ها و ترکیبات شیمیایی مختلف تولید شوند تا تمام طول موج های نوری را جذب کنند. نقاط کوانتومی نانوذارتی نیمه رسانا هستند که یکی از خصوصیات آن ها داشتن فاصله انرژی (گاف ممنوعه) متناسب با اندازه است.
برای مشکل دوم که اتلاف انرژی در انتقال جریان در مدارهای سلول های خورشیدی است، ساختمان کریستالی نیمه رساناها باید برای انتقال جریان الکتریسیته مناسب باشد. نانولوله های ابررسانا در این زمینه کارایی خواهند داشت. نانولوله ها می توانند براساس خصوصیت تشعشع میدانی در سامانه ای که کارش برعکس سلول های خورشیدی است (تبدیل برق به نور) هم عمل کنند و برای تولید طول موج های نوری و رنگ های مختلف از نور در دیودهای نوری استفاده شوند.
لازم به ذکر است که سلول های خورشیدی رایج، سیلیكونی مشابه تراشههای كامپیوتری را مصرف میكنند. این امر هزینه های آن ها را گران می کند. سلول های خورشیدی همچنان پرهزینه هستند، اما فناوری نانو امکان کاهش هزینه های آن ها را خواهد داد. یکی از فناوری های جدید تولید سلول های خورشیدی ساخت لایه های بسیار نازک است. این سلول های خورشیدی هر چند کم بازده هستند اما با نصب صفحات متشکل از این سلول های منعطف در بخش فوقانی ساختمان ها یا دیوارها، به طور موثری از فضای ساختمان استفاده می شود.
سلول های خورشیدی فیلم های نازک سلول های خورشیدی جدید با اصولی مشابه فتوسنتز در گیاهان کار می کند. این نوع سلول شامل یک رنگ آلی است که به دی اکسید تیتانیوم متصل می شود. رنگ محدوده طول موج مشخصی از نور را جذب می کند و نانوذرات دی اکسید تیتانیوم الکترون ها را انتقال می دهند. این سلول ها با بازدهی کم ده درصد، به خوبی سلول های خورشیدی سیلیکونی کار نمی کند. با این حال ارزان تر هستند و می تواند روی سطحی انعطاف پذیر استفاده شوند.
انرژی باد، زیست توده و زمین گرمایی
برای منابع انرژی جایگزین متعدد دیگری نیز وجود دارد كه به کمک فناوری نانو استفاده از آنها بسیار عملی تر و معقولتر خواهد بود كه از آن جمله میتوان انرژی باد زیست توده (biomass) و زمین گرمایی (geothermal) اشاره كرد.
گرچه استفاده از انرژی باد یكی از قدیمیترین راههای تولید انرژی است اما اخیراً استفاده از دستگاههای بادی مولد برق در بسیاری از كشورها و با بهبود وضعیت اقتصادی آنها رشد قابل ملاحظهای داشته است . در عین حال مقدار انرژی كه یك كشور به آن نیاز دارد و میتواند آن را تولید كند محدود است كه این امر به ویژه برای كشورهای فاقد سواحل آبی گسترده به منظور ایجاد نیروگاههای برق آبی حائز اهمیت بوده و میتوانند مقدار زیادی از زمینهای دور از ساحل را به این كار اختصاص دهند.
ممكن است به نظر عجیب برسد كه چگونه فناوری نانو كه فناوری مدرن و جدیدی است میتواند چیزی به قدمت نیروگاههای بادی را تحت تأثیر قرار دهد؟ پاسخ این سۆال در مواد مورد استفاده نهفته است. همان طور كه میدانیم توان یك توربین بادی متناسب با مربع طول تیغه آن افزایش مییابد. در حال حاضر از پیشرفتهترین كامپوزیتهای فیبركربنی در این تیغه ها استفاده میشود اما در صورت استفاده از كامپوزیت هایی از نوع نانولولههای كربنی در آنها، نسبت توان به وزن آنها تا چند برابر افزایش مییابد.
از دیگر انرژیهای جایگزین، زیست توده است كه توجه فزایندهای را به خود جلب كرده است و فناورینانو بر آن تأثیری همانند تأثیری است كه بر سوختهای فسیلی داشته است، میگذارد؛ یعنی كاتالیزورهای بهبود یافته و جدا سازی گاز.
در این بین، انرژی زمین گرمایی توجه كمتری را به خود جلب كرده است و بسیاری آن را تنها به بخشهای معینی از دنیا چون جزایر یخی محدود میدانند. اما در واقع باید گفت این انرژی تقریباً یكی از ذخایر نامحدود انرژی به شمار میآید كه هر كجا باشید زیر پایتان قرار دارد.البته تعریفی این گونه از این انرژی را در حال حاضر میتواند در كتابهای زمین شناسی یافت . زیرا برای رسیدن به عمق مناسب و لازم جهت استفاده از گرمای درونی زمین، فناوری حفاری موجود باید بهبود یافته و یا اینكه ما به توان لازم جهت استفاده از گرمای زمین در سطوح بالاتر زمین دست یابیم. (به انرژی حرارتی که از داخل زمین به نزدیکی سطح زمین راه می یابد زمین گرمایی گفته می شود.)
از سرامیكها و نانوبلورهای فلزی، مواد جدیدی در دست تهیه است كه میتوان از آنها در فناوری حفاری استفاده نمود. اما جالب ترین پیشرفتی كه در این زمینه رخ داده استفاده از روش تونل زنی ترموالكتریكی برای تولید الكتریسیته از گرمای سطوح بالایی زمین است. هم اكنون چندین شركت برای بهرهوری از این فناوری ایجاد شده كه اساس آنها بر استفاده از نانولایههای عایق الكتریسیته با ابعاد بسیار دقیق و كنترل شده میباشد.
ادامه دارد...
مریم نایب زاده بخش دانش وزندگی تبیان
منبع: nanotech -sciencedaily-nano-nanoclub-edu.nano- nanowerk
کتاب آشنایی با فناوری نانو(2)-سلیمی،طاهری،احمدوند