استفاده از نانولوله‌های کربنی در پیل‌های خورشیدی

برای افزایش بازدهی تبدیل انرژی نور خورشید، روش‌ها و ابداعات جدیدی مورد نیاز است. در این مسیر استفاده از نانولوله‌های کربنی در سیستم‌های جمع‌آوری فوتون (ذرات نور) مسیری جدید در طراحی این سیستم‌ها به وجود آورده‌است. این مقاله به بحث دربارةروش‌های استفاده از نانولوله‌های کربنی به عنوان الکترودهای حساس به فوتون و نقش آنها در تبدیل انرژی خورشیدی به جریان الکتریسیته می‌پردازد.
سازمان ملل متحد، آیین‌نامه‌ای را تحت عنوان تثبیت میزان غلظت گازهای گلخانه‌ای اتمسفر در حدی که بتواند از خطر تداخل آنتروپوژنیک (anthropogenic) با سیستم آب و هوایی جلوگیری کند، به عنوان یکی از پیمان‌نامه‌های زیرساختاری قرار داده‌است؛ این در حالی است که تا سال ۲۰۵۰ میلادی ده تریلیون وات (TW) انرژی بدون انتشار کربن باید تولید شود که تقریباً معادل همة منابع انرژی‌های موجود تا به امروز است.
برای مواجه شدن با افزایش تقاضای انرژی در آینده‌ای نزدیک، چاره‌ای جز جستجوی منابع انرژی پاک که از نظر پسماند نیز مشکلی نداشته باشند، وجود ندارد. سوخت‌های فسیلی و مشتقات آنها، سوخت هسته‌ای و سوخت‌های تجدید‌پذیر از اصلی‌ترین منابع تأمین‌کنندة ده تریلیون وات انرژی در سال‌های آتی هستند.
در میان انرژی‌های تجدیدپذیر (مثل باد، آب، زمین گرمایی (hydrogeothermal) ، خورشید)، انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی تمام‌ناشدنی یکی از قابل قبول‌ترین منابع برای دستیابی به این تقاضای انرژی در آینده است. فعلاً انرژی تولیدشده از نور خورشید کمتر از ۰۱/۰ درصد از تقاضای انرژی در جهان است. اگر چه انرژی خورشیدی و تشعشعات آن در مقالات و تحقیقات زیادی مورد بررسی قرار گرفته‌است ولی به‌منظور دستیابی به روش‌های اقتصادی‌تر و دارای راندمان بالا برای جمع‌آوری فوتون‌ها نوآوری‌هایی لازم است.
طی دهة اخیر نانومواد به‌عنوان سیستم‌هایی جدید برای جمع‌آوری انرژی نور مطرح شده‌اند. خواص کم‌نظیر الکتریکی و الکترونی، پایداری بالای الکتروشیمیایی و سطح بالایی که این گونه مواد ایجاد کرده‌اند انگیزة بسیاری از محققان را در به‌خدمت گرفتن نانوساختارهای کربنی (مثل نانولوله‌های تک دیواره) برای تبدیل انرژی‌های مختلف برانگیخته‌است، به طور مثال فولرین‌ها خواص فوتوشیمیایی بالایی از خود نشان می‌دهند و به عنوان پرتابه الکترون (electron shattle) در پیل‌های خورشیدی فوتوشیمیایی عمل می‌کنند. این مواد در بهبود بازده پیل‌های فوتوولتائیک (photo voltaic) آلی نقش مهمی را ایفا می‌کنند.
در پیل‌های خورشیدی معمول فوتوشیمیایی، لایة نیمه‌هادی به عنوان الکترودهای فوتواکتیو عمل می‌کند که با تحریک نور مرئی، جفت الکترون- حفره ایجاد می‌کنند. یکی از حامل‌های بار (مانند الکترون) به‌سمت الکترود شمارنده رانده می‌شود؛ در حالی که عامل بار دیگر (حفره) به‌وسیلة جفت اکسایش - کاهش موجود در الکترولیت حذف می‌شود و به این ترتیب جریانی از فوتون ایجاد می‌شود.
نانولوله‌های تــــــک‌دیواره (SWNT) و نانولـــــــوله‌های (stacked- cup (SCCNT، به عنوان دو نوع از بهترین نانولوله‌های کربنی در تبدیل انرژی خورشیدی در مقالات معرفی شده‌اند. نانولوله‌ها به‌صورت معمول از شبکه‌های شش‌ضلعی کربنی تشکیل شده‌اند که مورفولوژی خاص آنها و در دسترس بودن سطوح داخلی و خارجی آنها برای افزودن عوامل شیمیایی و اصلاح این سطوح، کاربردهای جدیدی را برای این مواد در فرایندهای کاتالیستی و الکترونیکی به وجود آورده‌است.
نانولوله‌های تک‌دیوارة موجود شامل هر دو نوع نانولوله‌های فلزی و نانولوله‌های نیمه‌هادی با کایرالیتی متفاوت هستند. تابع کار (work function) نانولوله‌های تک‌دیواره حدود ۸/۴- الکترون ولت بر اساس میزان خلاء مطلق (AVS) است. نانولوله‌ها دارای باندگپی در بازة صفر تا ۱/۱ الکترون ولت هستند که البته کاملاً به کایرالیتی و قطر لوله‌ها بستگی دارد. هنگامی که باند گپ نانولوله‌های نیمه‌هادی تحریک می شود، دچار جداسازی بار می‌شوند.
از نانولوله‌های کربنی در سلول‌های خورشیدی به دو صورت استفاده می‌کنند (شکل ۱) :
۱) تحریک مستقیم باند گپ نانولوله‌های نیمه‌هادی؛
۲) استفاده از نانولوله‌های رسانا به عنوان مجرایی برای عبور حامل‌های بار از نانوساختارهای جمع‌کنندة نور.
در بخش بعد روشی که نانولوله‌ها را به‌صورت لایه‌ای متراکم درآورده و به عنوان الکترود حساس به فوتون روی سطح رسانای پیل‌های خورشیدی می‌نشانند توضیح داده شده‌است. شمایی از دو روش موجود در شکل (۱) آمده ‌است.
● رسوب الکتریکی نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره روی الکترود شیشه‌ای رسانا
قدم اول در ساخت پیل‌های خورشیدی، سوار کردن نانولوله‌ها به‌صورت فیلم نازک روی سطح الکترود است که در این زمینه روش‌های مختلفی وجود دارد. در این آزمایش از روش بسیار مؤثر رسوب الکترو فورتیک (electrophoretich) در نشاندن نانولوله‌های کربنی روی سطح الکترود، استفاده شده است.
ابتدانانولوله‌های کربنی به همراه نمک آمونیوم (تترا اُکتیل آمونیوم برماید یا TOAB) در تتراهیدروفوران (THF) حل می‌شوند. سپس این سوسپانسیون به پیل الکترو فورتیک شامل دو الکترود موازی شفاف به نور (OTE) به ضخامت پنج نانومتر، انتقال می‌یابد. بعد از برقراری ولتاژ ۴۰ ولت مستقیم (dc) نانولوله‌ها به‌سمت الکترود مثبت رفته، بعد از دو تا سه دقیقه فیلم نازکی از نانولوله‌های تک‌دیواره روی سطح الکترود رسوب می‌کند (شکل ۲) با افزایش زمان اعمال ولتاژ، ضخامت فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره افزایش می‌‌یابد. لایه تشکیل‌شده کاملاً قوی و برای اندازه‌گیری‌های الکتروشیمیایی نیز مناسب است.
هنگامی که میدان مستقیم بین دو الکترود شیشه‌ای بیشتر از ۱۰۰V/Cm باشد نانولوله‌ها به جای رسوب روی سطح در عرض فضای بین دو الکترود و به‌صورت صفوف هم‌خط و موازی روی هم‌ رسوب می‌کنند. این تجمع نانولوله‌های کربنی کاملاً از هم جدا بوده و به‌صورت بسیار جالب و مناسب در یک خط و به صورت عمود بر سطح الکترود قرار می‌گیرند. نمونه‌ای از آن چه در ولتاژهای بالا ایجاد شده در شکل (۲) آورده شده‌است.
بنابراین به‌سادگی می‌توان جهت‌گیری و رسوب‌دهی لایه‌های نانولوله‌های تک‌دیواره را با کنترل ولتاژ تغییر داد. به روشی مشابه می‌توان فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره و SCCNT ، را روی سطح الکترودهای دیگری مثل صفحات بسیار نازک کربنی رسوب داد. برای تعیین مورفولوژی الکترودهای متشکل از نانولوله‌های تک‌دیواره و SCCNT از میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM استفاده شده که تصاویر آن در شکل (۳) آورده شده‌است.
● جداسازی بارهای القاء شدة فوتونی در فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره
از خواص جالب نانولوله‌‌های کربنی نیمه‌هادی، توانایی آنها در پاسخ‌دهی به نور است. به عنوان مثال در سالهای اخیر با استفاده از پاسخ الاستیک کلاف های موازی نانولوله‌های کربنی که بین دو الکترود فلزی قرار گرفته بودند، خاصیت تحریک‌پذیری فوتونی فیلم‌های نانولوله‌های کربنی مشخص شده است. آوریس و همکارانش (Avouris) پدیده لومینسانس حامل‌های تابش‌کنندة بار را به‌وسیلة ترانزیستورهای اثر- میدانی (FET) نانولوله‌های کربنی دو‌قطبی مشاهده کردند. الکترون- حفره‌ها به یک مدار خارجی تزریق می‌شوند و با ترکیب مجدد آنها نور تولید می‌شود.
گزارش‌های اخیر در مورد اثر فلوئورسانسی باند گپ از نمونه‌های نانولوله‌های نیمه‌هادی تک دیوارة منفرد، نشان می‌دهد که امکان تصحیح خواص اپتیکی نانولوله‌ به کمک نانولوله های منفرد وجود دارد. مطالعات اسپکتروسکپی نشان می‌دهند که زمان ماندن جفت الکترون- حفره در لبة لایه حدود صد فمتوثانیه بعد از القای فوتونی ون هو (van Hove) در ساختار لوله‌ای است. مطالعات اخیر نشان دهندة توانایی ساختار لایه‌ای نانولوله‌ها در جداسازی جفت الکترون- حفره به‌وسیلة القای نورمرئی است.
به‌منظور استفاده از حامل‌های بار تولیدشده به‌وسیلة فوتون برای ایجاد جریان الکتریسیته، ترکیب مجدد حامل‌های بار محدود شده فضایی در نانولوله به وسیلة برهم‌کنش‌های کولمبی با پیوندهای دوگانه که اکسایتون نام دارند، جفت می‌شوند. اغلب این اکسایتون‌ها از سطوح بالای ۲ C و ۲ V ، از طریق گذارهای بین باندی به ترازهای ۱ C و ۱ V زیر گپ افت کرده، و بدین ترتیب یک اکسایتون زیر باندگپ ثانویه (Second Sub-bandgap) را می‌سازند.
تنها کسر کوچکی از اکسایتون‌ ها قادر به تجزیه شدن و تشکیل الکترون- حفره‌های جفت‌نشده هستند. جداسازی اکسایتون‌ها به‌دلیل ایجاد حالت بارهای تفکیکی نقش مهمی در تولید جریان فوتونی دارد.
جداسازی بارها در نانولوله‌ها به‌وسیلة طیف‌سنجی با پروب پمپ لیزر فمتوثانیه‌ای (Femtosecond laser pump-probe spectroscopy) به‌خوبی مورد تحلیل و بررسی قرار می‌گیرد. این روش برای تحقیق در مورد فرایندهای بسیار سریع که بر اثر تحریک نانولوله‌های کربنی یا مواد نیمه‌هادی اتفاق می‌افتند،بسیار مفید است. در یک آزمایش واقعی، تغییرات جذب در نمونه در زمان‌های گذار متفاوت از طریق تحریک با یک پالس لیزری کوتاه ثبت شده‌است. طیف‌های جذبی مختلف در زمان‌های گذار مختلف با تحریک سوسپانسیون نانولوله‌های تک‌دیواره در HTF با پالس لیزری ۳۸۷ نانومتر با پهنای ۱۳۰ فمتوثانیه ثبت شده است. در شکل (۵) نمونه‌ای از طیف جذب انتقالی و از بین رفتن جذب در پالس ۷۰۰ نانومتر نشان داده شده‌است. القای فوتونی باعث رنگبری (bleaching) جذب نانولوله‌های تک‌دیواره در ناحیة قرمز طیف می‌شود. پهنای باند بی‌رنگ با تغییر قطر نانولوله‌ها و زاویه کایرال و توده شدن ذرات تغییر می‌کند و بی‌رنگ شدن در ناحیة مرئی که مطابق انتقال V۲-C۲ است در کمتر از یک پیکوثانیه تجدید می‌شود که از این بابت شبیه به ایجاد باند الکترون- حفره و یا انتقال برانگیختگی به باند C۱- V۱ است. محققان مشاهده کردند که جمع‌آوری جفت الکترون- حفره در باند گپ اصلی V۱-C۱ و طول عمرشان (۱۰۰-۱۰ پیکوثانیه) به‌شدت به برانگیختگی بستگی دارد. این دانشمندان براساس تفاوت‌هایی که بین بازیافت جذب انتقالی و از بین رفتن گسیل‌ها وجود دارد معتقدند که پیچیدگی‌های حالت‌های مختلف به دام انداختن بار، فاکتور مهمی در انتقال الکترونیکی محسوب می‌شود.
به طور کلی حضور چنین حالت‌های سطحی، در تثبیت حامل‌های بار تولیدی و شرکت در تولید جریان فوتونی بسیار مؤثر است و با افزایش احتمال جمع‌آوری در سطح الکترود، افزایش جداسازی بارها نیز قطعی می‌شود. بی‌رنگ شدن انتقالی که به دنبال القای پالس لیزری ایجاد می‌شود نشان‌دهندة تجمع تعداد قابل قبولی از حامل‌های بار روی نانولوله‌های تک‌دیوارة موجود است. سؤالی که در اینجا مطرح می‌شود چگونگی جمع‌آوری مناسب حامل‌های بار فوتوالقایی تولیدشده روی نانولوله‌های تک‌دیواره برای تولید جریان الکتریکی است، مانند آنچه در نیمه‌هادی‌های دیگر و پیل‌های فوتوولتائیک دیگر اتفاق می‌افتد.
● سلول‌های خورشیدی فوتوالکتروشیمیایی
با استفاده از نانولوله‌های تک‌دیواره و SCCNTهای رسوب‌داده‌شده به روش الکتروفورتیک، به عنوان الکترودهای حساس در مقابل ذره‌های فوتون، می‌توان سلول‌‌های فوتوالکتروشیمی ساخت. با تولید زوج اکسایش- کاهش مانند (-I۲/I۳) در حلال استونیتریل می‌توان الکترولیت رسانایی بین فیلم نانولوله‌ و الکترود شمارنده پلاتین به وجود آورد. شکل‌های (۶) و (۷) نشان‌دهندة پاسخ فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره در برخورد با نور گسیل‌شده است. نور برخوردی (با طول موج بزرگتر از ۴۰۰ نانومتر) باعث برانگیخته شدن نانولوله‌های تک‌دیواره ها و تولید حامل‌های بار می‌شود. ایجاد آنی جریان فوتونی را بعد از برانگیخته شدن در شکل (۶) مشاهده می‌کنیم. بیشترین جریان و ولتاژ ایجاد شده در این آزمایش به‌ترتیب ۸µA/Cm۲ و ۱۲mV است. بازدهی تبدیل فوتونی به‌صورت نسبت فوتون‌های گسیل‌شده به حامل‌های بار (IPCE) تعریف می‌شود که با اندازه‌گیری جریان فوتونی در طول موج‌های القائی متفاوت به وجود آمده‌است. بیشترین مقدار IPCE در حدود ۱۵/۰ درصد در طول موج ۴۰۰ نانومتر به دست آمده‌است، این در حالی است که انتظار می‌رفت این مقدار برای پیل‌های خورشیدی فوتوشیمیایی در بازة ۹۰-۸۰ درصد باشد. گرچه مقدار IPCE به‌دست‌آمده برای پیل‌های خورشیدی ایجادشده به‌وسیلة نانولوله‌ها نسبتاً کم است ولی قابلیت تکرار و تجدیدپذیری اثر فوتوالکتروشیمیایی می‌تواند باعث ایجاد جریان پایدار در زوج اکسایش- کاهش موجود (I۲/I۳-) شود.
تولید جریان کاتدی فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره سازوکاری را نشان می‌دهد که در آن حفره‌های تولیدشده به‌وسیلة فوتون در سطح OTE جمع می‌شوند و در یک گردش خارجی به الکترود شمارنده انتقال می‌یابد. ایجاد مجدد زوج اکسایش- کاهش (I۲/I۳-)، باعث پاک شدن سطح الکترود از بارها می‌شود که خود در رساندن جریان فوتونی به حالت پایدار نقش بسزایی دارد. مشاهدة جریان فوتونی کاتد باعث تقویت این نظریه می‌شود که نانولوله‌های تک‌دیواره استفاده‌شده در این تحقیق دارای خواص نیمه‌هادی نوع p هستند.
قرار دادن لایه‌ای از SnO۲ روی OTE ، سطح وی‍ژه را برای جمع‌آوری بارهای تولیدشدة فوتونی افزایش می‌دهد و همان طور که از نتایج نیز برمی‌آید این افزایش سطح الکترود باعث سه برابر شدن جریان فوتونی در سیستم می‌شود. نانولوله‌های کربنی تک دیواره و یا چنددیواره اغلب حالت توده شدن و تجمعی به خود می‌گیرند؛ اما نانوذرات SCCNT هنگامی که روی سطح الکترود رسوب می‌کنند به‌صورت ذرات مجزا هستند.
تفاوت در شکل (مورفولوژی) این دو فیلم در تصاویر SEM (شکل ۳) قابل مشاهده است. همان طور که در مطالعات قبلی نیز خاطر نشان شده‌است این لوله‌های توخالی دارای بخش عمده و قابل توجهی لبه‌های خارجی و روباز هستند که نیروی واندروالس بین لوله‌ها را به کمترین مقدار خود می‌رساند. به طور کلی فیلم‌های SCCNT در پیل های فوتو الکتروشیمیایی عملکرد بهتری نسبت به نانولوله‌های تک‌دیواره نشان می‌دهند.
الکترود OTE/SnO۲/SCCNT به محض قرار گرفتن در معرض القای نورمرئی جریان فوتونی ایجاد می‌کند (فیلم SCCNT روی الکترود شیشه‌ای رسانایی ساخته شده‌است که روی آن ذرات SnO۲ قرار گرفته‌است) .
برای ایجاد جریان آندی، الکترون‌های تولیدشدة فوتونی درSCCNT به‌وسیلة نانوکریستال‌های SnO۲ جمع می‌شود. رفتار SCCNTهای به‌وجودآمده بیشتر شبیه نیمه‌هادی‌های نوع n است که درست مخالف رفتار فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره عمل می‌کنند. بررسی اثر آلایش ذاتی نانولوله‌ها (dopant) در طول سنتز آنها و یا تأثیر عوامل شیمیایی در ایجاد خواص نیمه‌هادی‌ نوع n یا p در نانولوله‌های کربنی بسیار مؤثر است. مقدار بازده تبدیل فوتون‌ها در طول موج‌های القایی متفاوت، در شکل (۸) نشان داده شده‌است که بیشترین آن در چهار درصد بدون هیچ گونه بایاس و در ۱۷ درصد تحت بایاس ۲/۰ ولت اتفاق می‌افتند. اعمال بایاس خارجی به‌‌وسیلة بار پتانسیل، فرایند جلوگیری از دوباره ترکیب شدن بارها در حرکت به‌سمت سطح الکترود را تسهیل می‌کند.
در شرایط یکسان آزمایشگاهی، مقدار IPCE ثبت‌شده برای الکترود SCCNT نسبت به الکترود نانولوله‌های تک‌دیواره یک مرتبه بزرگتر است. هدف ما بالا بردن کارایی سیستم نسبت به پیل‌های خورشیدی دیگر و رساندن این بازده به صد درصد، چیزی نزدیک به مدل‌های تئوری است که به‌وسیلة تصحیح خواص سطحی و مورفولوژی نانولوله‌های تک‌دیواره و SCCNT در حال انجام است.
● هیبریدهای نانولوله‌ تک‌دیواره- نیمه‌هادی
در سلول‌‌های فوتوالکتروشیمیایی که بر اساس نانوساختارها و یا فیلم‌های نیمه‌هادی مزوسکوپیک شکل گرفته‌اند انتقال الکترون در عرض ذرات، قابلیت کاهش بازترکیب مجدد در مرزدانة ذرات را دارد. استفاده از نانولوله‌های کربنی در سیستم‌های جمع‌آوری نور (مانند نیمه‌هادی‌ها) راه بسیار مؤثر و مناسبی برای تحت نفوذ قرار دادن همة سیستم‌های جمع‌آوری فوتون است. در شکل (۹) این دو روش قابل مشاهده هستند. نانولوله‌های تک‌دیواره کاندیدای ایده‌آلی برای مجرای جمع‌آوری و انتقال بار سیستم‌های جمع‌آوری نور است. از موارد مورد توجه کامپوزیت CdS/SWNT (کادمیوم سولفید/نانولولة تک‌دیواره) است که می‌تواند به‌وسیلة نور مرئی جریانی فوتونی با راندمان بسیار بالا ایجاد کند. نانولوله‌های تک‌دیواره از روشنایی و درخشندگی کادمیوم جلوگیری می‌کند و درخشندگی آن به‌وسیلة نانولوله‌های تک‌دیواره فرو نشانده می‌شود.
آزمایش‌های جذب انتقال، غیرفعال شدن سریع برانگیختگی کادمیوم سولفید (CdS) را روی سطح نانولوله‌های تک‌دیواره تأیید می‌کند همان‌طور که بی‌رنگ شدن انتقالی آن در حدود ۲۰۰ پیکوثانیه تجدید می‌شود.
به‌منظور آزمایش فرضیات مربوط به انتقال الکترون بین CdS برانگیخته شده و نانولوله‌های تک‌دیواره در لایة کامپوزیت، باید ذرات کادمیوم سولفید را روی الکترود نانولوله‌های تک‌دیواره رسوب دهیم (مثل OTE/SWNT/CdS) ؛ ابتدا به‌وسیلة رسوب دهی الکتروفورتیک فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره را روی OTE رسوب می‌دهیم و بافروبردن الکترودها در محلولی شامل Cd۲+وS۲- نانوکریستال‌های CdS شکل می‌گیرند، سپس الکترودها به‌وسیلة آب دیونیزه‌شده کاملاً شسته می‌شوند، به‌طوری که تنها یون‌های جذب‌شدة Cd۲+ با S۲- واکنش می‌دهد. قابل توجه اینکه بعضی از این روش‌های رسوب دهی جذب یونی شبیه به روش‌هایی است که برای ساخت فیلم‌های نانوساختار از فلزات کالکوژنی بر روی اکسید فلزات استفاده می‌شود. همچنین یون Cd۲+ به‌آسانی روی نانولوله‌های تک‌دیواره جذب و با S۲- واکنش داده و نانوکریستال‌های CdS را با ضخامت ۵۰۰ نانومتر تشکیل می‌دهد.
در این جا از الکترود OTE/SWNT/CdS سلول فوتوالکتروشیمیایی شامل محلول استونیتریل با ۱/۰ درصد تری اتانول آمین که به عنوان دهندة الکترون از‌بین‌رونده‌است استفاده شده‌است. تری‌اتانول‌آمین در از بین بردن حفره‌های فوتونی ایجادشده در سطح الکترود، دچار اکسیداسیون غیرقابل برگشت می‌شود. با تحریک فیلم نانولوله‌های تک‌دیواره بهبود یافته با CdS به‌وسیلة نور مرئی (۳۸۰ <&#۹۵۵; نانومتر) جریان فوتونی در آن مشاهده می‌شود.
همان طور که در طیف‌های فعال جریان فوتونی مشخص است جریان ایجادشده، تحت تأثیر القای اولیه CdS قرار می‌گیرد. به علاوه مشاهدة جریان آندی فیلم SWNT/CdS، نشان‌دهندة جهت جریان از CdS به الکترود جمع‌آوری است که به‌وسیلة شبکة نانولوله‌های تک‌دیواره پوشانده شده‌است. به هر حال قابلیت سیستم‌های نانوکامپوزیتی CdS/SWNT در جداسازی بارهای فوتوالقایی موجب ایجاد روند جدیدی در طراحی ساختارهای جمع‌آوری نور شده‌است.
● ساختار نانولولة تک‌دیواره- پورفیرین
نانولوله‌های تک‌دیواره دارای سطح منحنی‌شکل ویژه‌ای هستند که اتصال آنها را به مولکول‌های آلی بزرگ به‌وسیلة برهم‌کنش‌های غیرکووالانسی یا نیروهای آب‌گریز، آسان می‌کند. مولکول‌هایی مانند مولکول‌ پورفیرین میل زیادی به ترکیب غیرکووالانسی با نانولوله‌های تک‌دیواره از طریق برهم‌کنش ۹۶۰دارند. برهم‌کنش بین پورفیرین و نانولوله‌های تک‌دیواره می‌تواند برای رسیدن به ساختار سوپرمولکولار تنظیم شود. برای رسیدن به ساختار مورد نظر می‌توان با استفاده از چنین خواصی، ترکیب پورفیرین- پروتونه (H۴P۲+) نوع H و J را به صورت توده‌شده روی سطح نانولولة تک‌دیواره جایگزین کرد. همچنین این پدیدة غیرمعمول‌، یعنی توده شدن روی نانولولة تک‌دیواره، می‌تواند کامپوزیت‌ها را به‌صورت باندهای خطی در کنار هم قرار دهد. پورفیرین یک مولکول فوتونی فعال است که اغلب به‌منظور ایجاد (تقلید) فرایند فوتوسنتز طبیعی در آزمایشگاه مورد استفاده قرار می‌گیرد. انتقال بار بین پورفیرین و نانولوله‌های تک‌دیواره به‌وسیلة القای نورمرئی انجام می‌شود. همچنین نانولوله‌های تک‌دیواره در انتقال الکترون‌های تولیدشدة فوتونی به سطح و جمع‌آوری در سطح پیل فوتوالکتروشیمیایی نقش بسزایی دارند و موجب تسهیل این امر می‌شوند. لایة هدایت نانولوله‌های نیمه‌هادی در بازة صفر تا نیم ولت بر حسب الکترود هیدروژنی نرمال (NHE) قرار می‌گیرد. انتقال بار از پورفیرین برانگیخته‌شده به مرزهای نانولوله‌های تک‌دیواره به‌صورت زیر است:
۱) +(NT-H۴P۲++hv ® SWNT-۱ (H۴P۲+)
۲) +(SWNT-۱ (H۴P۲+) + ® SWNT- (H۴P
سیستم‌های مولکولی نانولوله‌های تک‌دیواره و پورفیرین پروتونه می‌توانند به‌وسیلة رسوب الکتروفورتیک به‌صورت آرایه‌های سه‌بعدی روی لایه‌های نانوساختاری SnO۲ آرایش یابند. لایة کامپوزیتی SWNT-H۴P۲+ که روی سطح الکترود قرار گرفته، با اعمال پتانسیل ۲/۰ ولت بر حسب SCE، بازدهی (IPCE) سیزده درصد نشان می‌دهد.
الکترودهای تهیه‌شده از نانولوله‌های تک‌دیواره از طریق تقویت انتقال بار در اثر تعامل با پورفیرین القایی و ایجاد مجرایی برای انتقال الکترون‌های تزریق‌شده به الکترودِ جمع‌آوری، ایفای نقش می‌کنند. با توجه به این مطالب، طراحی دقیق ساختمان نانولوله‌ها و توجه به خواص سطحی آنها در بهبود بازدهی پیل‌های خورشیدی الکتروشیمیایی نقش بسزایی دارد.
● نتیجه‌گیری
مثال‌های مورد بحث در این مقاله موارد جالبی را در زمینة خواص فوتوالکتروشیمیایی نانولوله‌های کربنی ارائه می‌دهد. بهبود جداسازی بارها در نانوساختارهای کربنی باعث ایجاد پیشرفت‌های زیادی در طراحی و تولید پیل‌های خورشیدی می‌شود. ایجاد روش‌ها و راهبردهای مناسب برای نشاندن دو یا چند جزء روی سطح الکترود، از عوامل کلیدی در بهبود کارایی پیل‌های خورشیدی به شمار می‌رود که در همین مسیر برای ایجاد و تکمیل سیستم‌های هیبریدی با توانایی و کارایی مضاعف در زمینة طراح‌های تبدیلی انرژی خورشیدی احتیاج به تلاش‌ها و فعالیت‌های زیادی است

منبع : ستاد ویژه توسعه فناوری نانو