تولید ماده‌ای جدید برای پیل‌های خورشیدی هیبریدی

گروهی از محققان آمریکایی روشی ساده برای تولید نانوکامپوزیت‌های هیبریدی آلی-معدنی که حاوی نانومیله‌ها هستند، ابداع کرده‌اند. نانوکامپوزیت به‌دست آمده می‌تواند بهره تبدیل پیل‌های خورشیدی را افزایش دهد.

در چند سال گذشته بهبود روش‌های ساخت نانوبلورها منجر به تولید ساختارهای
میله‌مانند با قطر ۲ تا ۱۰ نانومتر و طول ۵ تا ۱۰۰ نانومتر شده است. این
نانومیله‌ها به دلیل آنیزوتروپی ساختاری خود ویژگی‌های منحصر به فردی دارند که آنها
را به مواد بهتری نسبت به نقاط کوانتومی برای پیل‌های فتوولتائیک و کاربردهای
زیست‌پزشکی تبدیل می‌کند.

بهره تبدیل انرژی در پیل‌های خورشیدی ساخته شده از نانوکامپوزیت‌های پلیمر مزدوج
/نانومیله زمانی به بیشترین مقدار خود می‌رسد که این نانوکامپوزیت‌ها به‌صورت عمودی
میان الکترودها آرایش یابند تا اکسیتون‌ها به‌خوبی پخش شده و انتقال پیدا کنند.
برای رسیدن به این هدف می‌توان از میدان خارجی برای القای خودآرایی در این
کامپوزیت‌ها استفاده کرد. مشکل این است که چگونه این خودآرایی در مقیاس وسیع صورت
پذیرد، چرا که روش‌های فعلی خودآرایی نانومیله‌های سلنید کادمیوم محدود به مقیاس
میکرومتری هستند.

تا به حال اصلی‌ترین روش تهیه کامپوزیت پلیمر مزدوج/نانوبلور مخلوط کردن فیزیکی
آنها بوده است. ژیکون لین، استادیار دانشکده علوم و مهندسی مواد در دانشگاه ایالتی
آیوا می‌گوید: «لیگاندهای آلی نارسانا که از برهمکنش موثر میان الکترون‌ها با
پلیمرهای مزدوج اطراف جلوگیری می‌کنند، موجب غیرفعال شدن نانوبلورها می‌شوند.
به‌علاوه، پلیمرهای مزدوج و نانوبلورها به‌دلیل تفاوت در انحلال‌پذیری‌شان دچار
جدایش فاز شده و این امر موجب کاهش سطح تماس میان آنها و در نتیجه محدود شدن کارایی
ابزارهای فتوولتائیک می‌گردد».

می‌توان با اتصال شیمیایی نانوبلورها به کامپوزیت مزدوج، موجب انتشار یکنواخت‌تر
نانوبلورها در کامپوزیت شده و برهمکنش‌های الکترونیکی میان پلیمرهای مزدوج دهنده
الکترون و نانوبلورهای گیرنده الکترون را بهبود بخشید. قابل ذکر است که این راهکار
که به‌طور عمده از طریق مبادله لیگاند انجام می‌گیرد، اخیراً کشف شده است و پوشش
سطحی ناقص این فرایند را محدود می‌کند.

راهکار جدیدی که توسط لین و گروهش ابداع شده است، ساده و قوی بوده و منجر به افزایش
قابل ملاحظه چگالی گرافت می‌شود. نانوکامپوزیت‌های آنیزوتروپیک حاصل که در آن
نانومیله‌های P3HT و سلنید کادمیوم در ارتباط نزدیک قرار دارند، می‌توانند در تولید
پیل‌های خورشیدی هیبریدی آلی-معدنی مورد استفاده قرار بگیرند. این پیل‌ها به‌دلیل
سطح تماس بالای میان پلیمرهای مزدوج و نانومیله‌های یک‌بعدی و همچنین به‌خاطر مسیر
پیوسته‌ای که توسط محور طولی نانومیله‌ها برای حرکت الکترون‌ها فراهم می‌شود، بهره
تبدیل بالایی دارند. در این نانوکامپوزیت‌ها هر دو مشکل جدایش میکروسکوپی فاز و
ممانعت از انتقال بار که در پیل‌های خورشیدی هیبریدی آلی-معدنی دیده می‌شوند، حل
شده است.

جزئیات این تحقیق به صورت آنلاین در مجله Angewandte Chemie International Edition
منتشر شده است.