Rez@ee
27th January 2012, 08:50 AM
دسته‌های تقریباً یکسان نانولوله‌های کربنی خواصی دارند که برای تولید برق از نور بسیار مناسب است.
در باره ی
زایش حامل‌های آزاد بار در انباشت نانولوله‌های تک‌دیواره از راه انگیزش فوتونی در ناحیه‌ی فرابنفش (http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.257402)
جرد جی. کراچت، سجاد حسین‌خانی، لَری لوئر، توبیاس هرتل، استفن کِی.دوم، گوگلیلمو لانزانی
.فیزیکال ریویو لترز ۱۰۷ ﴿٢٠١١﴾ ص ۲۵۷۴۰۲. (http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.257402)
تاریخ انتشار: ۱۶دسامبر ۲۰۱۱
تولید برق از نور خورشید شاید روزی با لایه‌های نازک فوتوولتایی ارزان‌تر از مواد معمولی تمام شود. بازدهی لایه‌های نازک امروز بسیار کم است. اما پژوهشگران اخیراً مقاله‌ئی در فیزیکال ریویو لترز منتشر کرده‌اند [۱] و نشان داده‌اند دسته‌های نانوله‌ی کربنی --استوانه‌های از جنس کربن خالص-- بالقوه می‌توانند بازدهی این نوع سیستم‌ها را افزایش چشم‌گیر دهد. آنها با استفاده از طیف‌نمایی بسیار سریع دریافته‌اند که نانولوله‌ها از پس دو کارکرد اصلی لازم برمی‌آیند، یعنی زایش زوج‌های ذرات و ممکن‌کردن ِ جدایی ِ آنها. سلول های خورشیدی فعلی که ساختارهایی لایه‌لایه هستند نمی‌توانند از پس هر دو کار در یک نوع ماده برآیند، که این به کاهش بازدهی می انجامد. گروه پژوهشی امیدوار است کار آنها به سلول های خورشیدی لایه ی نازک بر پایه ی ساختارهای نانولوله ای و با بازدهی بالا، که کاربردی هم باشند، منجر شود.
http://psi.ir/upload/news/1390/anewsman2/466b6fd88b77f08c.jpg
جی. کراچت/آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس
رهایی: فوتون به دسته‌ی نانولوله‌های کربن می‌خورد و اکسایتون می‌سازد یعنی الکترون و حفره‌ئی که به هم مقید شده‌اند. این دو در مرز بین نانولوله‌ها به‌تندی از یک‌دیگر جدا می‌شوند. برای تولید برق در سلول خورشیدی به هر دو مرحله نیاز است. در نانولوله‌ی منفرد‌شده اکسایتون پیش از جداشدن ِ الکترون و حفره دوباره جذب می‌شود.
ساختارهای فوتوولتایی لایه‌ی نازک ارزان‌تر، سبک‌تر، و انعطاف‌پذیرتر از موادی هستند که در سلول های خورشیدی معمولی پیدا می‌شود (مثل سیلیسیوم به عنوان نمونه ای از این مواد). تولید برق در آنها با جذب فوتون از خورشید و زایش اکسایتون آغاز می‌شود--اکسایتون تشکیل شده است از الکترون و حفره که بار مثبت دارد و در مداری مشترک به الکترون مقید است. سپس برای تولید جریان برق، لازم است در زمان کوتاه پیش از واپاشی‌ی اکسایتون یعنی پیش از آن‌که الکترون و حفره جذب هم شوند و به ماده برگردند، الکترون و حفره از هم جدا شوند. در سلول خورشیدی لازم است که اکسایتون به‌سرعت به لایه‌ی دیگری برود تا جدایی بارها رخ دهد، اما "بازجذب" سریع اکسایتون ها عامل اصلی در کاستن ِ بازدهی‌ست.
برای چیره‌شدن بر این مشکل پژوهشگران در جست‌وجوی ماده‌ئی هستند که هم زایش اکسایتون و هم جداشدن بار در آن رخ دهد. با تأثیرگیری از نظریه‌ئی که بیست سال از عمرش می‌گذرد [۲] جَرِد کراچت از آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس در نیومکزیکو و گروهش، دسته‌های نانولوله‌ی کربن را بررسی کردند. چند گروه دیگر همین دسته‌ها را برای مقاصد دیگری بررسی کرده بودند. با روش‌هائی که دیگران به‌بار آورده بودند این گروه پژوهشی با استفاده از سانتریفوژهای بسیار تند نانولوله‌ها را به صورت دسته‌هائی در آوردند که بر حسب قطر و مقدار پیچش از هم جدا شده بودند. سپس آن ها دسته‌هائی را برگزیدند که قطر و مقدار پیچش‌شان برای جذب شدید نور در طول‌موج ۵۷۰ نانومتر مناسب‌ترین باشد. این طول‌موج بهترین طول‌موج برای جذب نور خورشید است. کراچت می‌گوید: "این روش جداکردن واقعاً در گسترش این زمینه‌ی پزوهشی مؤثر بوده است. پیش از این هر چه از نانولوله ها داشتیم از نوع دوده‌ی سیاه بود که به دردی نمی‌خورد."
کراچت و همکارانش از دستگاه هایی استفاده کردند که می‌تواند طیف نمونه را بسیار تندتر از طیف‌نماهای معمولی آشکار کند. هر چند ده فمتوثانیه به دو نوع نمونه فلش‌های بسیار کوتاه نور لیزر تاباندند و طیف را ثبت کردند. برای هر دو نوع نمونه، چه دسته نشده و چه دسته شده، طیف مشخصه‌ی زایش اکسایتون مشاهده شد، اما تنها طیف دسته‌های نانولوله بود که دربردارنده‌ی قله‌ی دیگری هم بود که زایش حامل‌های بار آزاد را نشان می داد.
کراچت می‌گوید که اکسایتون‌های زاده در تک‌نانولوله‌ها به سرعت درون ماده بازجذب می‌شوند اما اکسایتون‌های دسته‌ی نانولوله‌ها به سرعت به مرز بین نانولوله‌ها می‌روند و در آنجا بارها از هم جدا می‌شوند. پژوهشگران این را نیز دریافتند که داشتن لوله‌های یکسان در دسته بسیار حیاتی‌ست و مرز بین لوله‌ها چنان شوکی به اکسایتون وارد می‌کند که باعث شود بارهای مثبت ومنفی از هم جدا شوند. کراچت توضیح می‌دهد: "اگر هیچ چیز در کنار لوله نباشد، دلیلی ندارد که اکسایتون تجزیه شود."
تیم کراچت اکنون در زمینه‌ی تولید ابزارهای فوتوولتایی آزمودنی با استفاده از این دسته‌های نانولوله کار می‌کند. اگر مرحله‌ی بعدی کار آنها خوب پیش برود آنها در آینده روزی را می‌بینند که بتوان مواد فوتوولتایی را روی بستری به‌صورت افشانه پاشید یا مانند خمیر روی بستر کشید و ابزاری ساخت که با بازدهی‌ی زیاد، نور را به برق تبدیل کند. علاوه‌براین، آنها دریافته‌اند که این دسته‌های نانولوله برخلاف مواد دیگر فوتوولتایی آلی که به صورت لایه‌های نازک اند، در نور فرابنفش تجزیه نمی‌شوند.
تونی هاینز از دانشگاه کلمبیا در نیویورک می‌گوید هنوز برای درک کامل این فرآیند پربازده ِ تجزیه‌ی اکسایتون در دسته‌های نانولوله، کار زیادی لازم است: "این زمینه آن‌طور که دل‌مان می‌خواهد شناخته‌شده نیست." اما او می‌گوید که این کار اخیر بسیار مایه‌ی امیدواری‌ست: "نانولوله‌های کربن بسیار پایدار، و اساساً ارزان هستند."
در باره‌ی نویسنده:
مایکل وافسی فیزیکدان و مهندس متخصص نمک‌زدایی در یکی از پیمان‌کارهای خدماتی وزارت‌خانه‌ی انرژی در گُولدن کلرادو ست.
منبع: http://physics.aps.org/articles/v4/108
مراجع:
Jared J. Crochet, Sajjad Hoseinkhani, Larry Lüer, Tobias Hertel, Stephen K. Doorn, and Guglielmo Lanzani, “Free-Carrier Generation in Aggregates of Single-Wall Carbon Nanotubes by Photoexcitation in the Ultraviolet Regime (http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.257402),” Phys. Rev. Lett.107 (2011) (http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.257402) 257402
T. Ogawa and T. Takagahara, “Optical absorption and Sommerfeld factors of one-dimensional semiconductors: An exact treatment of excitonic effects," Phys. Rev. B p8138 1991
خبرنامه‌ی انجمن (http://psi.ir/?news)
در باره ی
زایش حامل‌های آزاد بار در انباشت نانولوله‌های تک‌دیواره از راه انگیزش فوتونی در ناحیه‌ی فرابنفش (http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.257402)
جرد جی. کراچت، سجاد حسین‌خانی، لَری لوئر، توبیاس هرتل، استفن کِی.دوم، گوگلیلمو لانزانی
.فیزیکال ریویو لترز ۱۰۷ ﴿٢٠١١﴾ ص ۲۵۷۴۰۲. (http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.257402)
تاریخ انتشار: ۱۶دسامبر ۲۰۱۱
تولید برق از نور خورشید شاید روزی با لایه‌های نازک فوتوولتایی ارزان‌تر از مواد معمولی تمام شود. بازدهی لایه‌های نازک امروز بسیار کم است. اما پژوهشگران اخیراً مقاله‌ئی در فیزیکال ریویو لترز منتشر کرده‌اند [۱] و نشان داده‌اند دسته‌های نانوله‌ی کربنی --استوانه‌های از جنس کربن خالص-- بالقوه می‌توانند بازدهی این نوع سیستم‌ها را افزایش چشم‌گیر دهد. آنها با استفاده از طیف‌نمایی بسیار سریع دریافته‌اند که نانولوله‌ها از پس دو کارکرد اصلی لازم برمی‌آیند، یعنی زایش زوج‌های ذرات و ممکن‌کردن ِ جدایی ِ آنها. سلول های خورشیدی فعلی که ساختارهایی لایه‌لایه هستند نمی‌توانند از پس هر دو کار در یک نوع ماده برآیند، که این به کاهش بازدهی می انجامد. گروه پژوهشی امیدوار است کار آنها به سلول های خورشیدی لایه ی نازک بر پایه ی ساختارهای نانولوله ای و با بازدهی بالا، که کاربردی هم باشند، منجر شود.
http://psi.ir/upload/news/1390/anewsman2/466b6fd88b77f08c.jpg
جی. کراچت/آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس
رهایی: فوتون به دسته‌ی نانولوله‌های کربن می‌خورد و اکسایتون می‌سازد یعنی الکترون و حفره‌ئی که به هم مقید شده‌اند. این دو در مرز بین نانولوله‌ها به‌تندی از یک‌دیگر جدا می‌شوند. برای تولید برق در سلول خورشیدی به هر دو مرحله نیاز است. در نانولوله‌ی منفرد‌شده اکسایتون پیش از جداشدن ِ الکترون و حفره دوباره جذب می‌شود.
ساختارهای فوتوولتایی لایه‌ی نازک ارزان‌تر، سبک‌تر، و انعطاف‌پذیرتر از موادی هستند که در سلول های خورشیدی معمولی پیدا می‌شود (مثل سیلیسیوم به عنوان نمونه ای از این مواد). تولید برق در آنها با جذب فوتون از خورشید و زایش اکسایتون آغاز می‌شود--اکسایتون تشکیل شده است از الکترون و حفره که بار مثبت دارد و در مداری مشترک به الکترون مقید است. سپس برای تولید جریان برق، لازم است در زمان کوتاه پیش از واپاشی‌ی اکسایتون یعنی پیش از آن‌که الکترون و حفره جذب هم شوند و به ماده برگردند، الکترون و حفره از هم جدا شوند. در سلول خورشیدی لازم است که اکسایتون به‌سرعت به لایه‌ی دیگری برود تا جدایی بارها رخ دهد، اما "بازجذب" سریع اکسایتون ها عامل اصلی در کاستن ِ بازدهی‌ست.
برای چیره‌شدن بر این مشکل پژوهشگران در جست‌وجوی ماده‌ئی هستند که هم زایش اکسایتون و هم جداشدن بار در آن رخ دهد. با تأثیرگیری از نظریه‌ئی که بیست سال از عمرش می‌گذرد [۲] جَرِد کراچت از آزمایشگاه ملی لوس‌آلاموس در نیومکزیکو و گروهش، دسته‌های نانولوله‌ی کربن را بررسی کردند. چند گروه دیگر همین دسته‌ها را برای مقاصد دیگری بررسی کرده بودند. با روش‌هائی که دیگران به‌بار آورده بودند این گروه پژوهشی با استفاده از سانتریفوژهای بسیار تند نانولوله‌ها را به صورت دسته‌هائی در آوردند که بر حسب قطر و مقدار پیچش از هم جدا شده بودند. سپس آن ها دسته‌هائی را برگزیدند که قطر و مقدار پیچش‌شان برای جذب شدید نور در طول‌موج ۵۷۰ نانومتر مناسب‌ترین باشد. این طول‌موج بهترین طول‌موج برای جذب نور خورشید است. کراچت می‌گوید: "این روش جداکردن واقعاً در گسترش این زمینه‌ی پزوهشی مؤثر بوده است. پیش از این هر چه از نانولوله ها داشتیم از نوع دوده‌ی سیاه بود که به دردی نمی‌خورد."
کراچت و همکارانش از دستگاه هایی استفاده کردند که می‌تواند طیف نمونه را بسیار تندتر از طیف‌نماهای معمولی آشکار کند. هر چند ده فمتوثانیه به دو نوع نمونه فلش‌های بسیار کوتاه نور لیزر تاباندند و طیف را ثبت کردند. برای هر دو نوع نمونه، چه دسته نشده و چه دسته شده، طیف مشخصه‌ی زایش اکسایتون مشاهده شد، اما تنها طیف دسته‌های نانولوله بود که دربردارنده‌ی قله‌ی دیگری هم بود که زایش حامل‌های بار آزاد را نشان می داد.
کراچت می‌گوید که اکسایتون‌های زاده در تک‌نانولوله‌ها به سرعت درون ماده بازجذب می‌شوند اما اکسایتون‌های دسته‌ی نانولوله‌ها به سرعت به مرز بین نانولوله‌ها می‌روند و در آنجا بارها از هم جدا می‌شوند. پژوهشگران این را نیز دریافتند که داشتن لوله‌های یکسان در دسته بسیار حیاتی‌ست و مرز بین لوله‌ها چنان شوکی به اکسایتون وارد می‌کند که باعث شود بارهای مثبت ومنفی از هم جدا شوند. کراچت توضیح می‌دهد: "اگر هیچ چیز در کنار لوله نباشد، دلیلی ندارد که اکسایتون تجزیه شود."
تیم کراچت اکنون در زمینه‌ی تولید ابزارهای فوتوولتایی آزمودنی با استفاده از این دسته‌های نانولوله کار می‌کند. اگر مرحله‌ی بعدی کار آنها خوب پیش برود آنها در آینده روزی را می‌بینند که بتوان مواد فوتوولتایی را روی بستری به‌صورت افشانه پاشید یا مانند خمیر روی بستر کشید و ابزاری ساخت که با بازدهی‌ی زیاد، نور را به برق تبدیل کند. علاوه‌براین، آنها دریافته‌اند که این دسته‌های نانولوله برخلاف مواد دیگر فوتوولتایی آلی که به صورت لایه‌های نازک اند، در نور فرابنفش تجزیه نمی‌شوند.
تونی هاینز از دانشگاه کلمبیا در نیویورک می‌گوید هنوز برای درک کامل این فرآیند پربازده ِ تجزیه‌ی اکسایتون در دسته‌های نانولوله، کار زیادی لازم است: "این زمینه آن‌طور که دل‌مان می‌خواهد شناخته‌شده نیست." اما او می‌گوید که این کار اخیر بسیار مایه‌ی امیدواری‌ست: "نانولوله‌های کربن بسیار پایدار، و اساساً ارزان هستند."
در باره‌ی نویسنده:
مایکل وافسی فیزیکدان و مهندس متخصص نمک‌زدایی در یکی از پیمان‌کارهای خدماتی وزارت‌خانه‌ی انرژی در گُولدن کلرادو ست.
منبع: http://physics.aps.org/articles/v4/108
مراجع:
Jared J. Crochet, Sajjad Hoseinkhani, Larry Lüer, Tobias Hertel, Stephen K. Doorn, and Guglielmo Lanzani, “Free-Carrier Generation in Aggregates of Single-Wall Carbon Nanotubes by Photoexcitation in the Ultraviolet Regime (http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.257402),” Phys. Rev. Lett.107 (2011) (http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.257402) 257402
T. Ogawa and T. Takagahara, “Optical absorption and Sommerfeld factors of one-dimensional semiconductors: An exact treatment of excitonic effects," Phys. Rev. B p8138 1991
خبرنامه‌ی انجمن (http://psi.ir/?news)