فوتوسنتز مصنوعی

فوتوسنتز مصنوعی

برخی از محققین موفقت به استخراج فوتوسنتز پیچیده ی I از اسفناج شدند و از آن برای تأمین انرژی وسایل الکترونیکی حالت جامد، استفاده کرده اند. این مسئله بیان کننده ی یک مثال از سلول های خورشیدی است که به تقلید از طبیعت تولید شده است. ایجاد یک سطح مشترک در حقیقت بدیهی است زیرا در گیاهان، کمپلکس های موجود منجر به تشکیل نمک و آب برای انجام عملکردهای ضروری می شود. این مورد به طور واضح نمی تواند در وسایل الکترونیکی، استفاده شود. بنابراین، سورفکتانت ها، به جای آن استفاده می شود. وسایل تولید شده از لایه های متناوب طلا، مواد بیولوژیکی، لایه ی نیمه رسانا و یک لایه ی رسانای بر روی آن، تشکیل شده است. بازده تبدیل این وسایل 12 % است.

سلول های خورشیدی حساس به رنگ

روش دوم، در واقع یک روش ترکیبی بین روش های فوتوولتایی متداول است که در آنها، از مواد نیمه رسانا و فوتوسنتز مصنوعی، استفاده می شود. تا به امروز، این روش، بهترین روش برای بهبود بازده سلول های فوتوولتایی، بوده است. در این روش، برخی از گونه های جاذب قوی (رنگ) که در واقع عملکرد کلروفیل را تقلید می کنند، بر روی سطح نیمه رسانا مانند دی کاسید تیتانیم، اعمال می شود. این نوع از سلول ها، سلول های حساس به رنگ dye-sensitised cells ) یا سلول های Gräztel ، نامیده می شوند. علت این نامگذاری، نام مخترع سلول های فوتوالکتروشیمیایی (PEC) می باشد. مولکول های رنگی پیچیده (مولکول های حساس) بر روی سطح یک دی اکسید تیتانیم مزوپروس، اتصال می یابند. این نوع از سلول ها، در واقع سلول های فوتوولتایی لایه نازکی هستند که از یک لایه ی نیمه رسانا بهره می برند، در حالی که سلول های حساس به رنگ، جذبی به خاطر مولکول های رنگی دارد.
مولکول های رنگی مشابه آنتن عمل می کند (مشابه کلروفیل ها) و این بدین معناست که بیشتر نور یک رنگ خاص می تواند جذب شود اما یک گستره ی وسیع تر از رنگ های می تواند در مقایسه با دی اکسید تیتانیم خالص، جذب شود بنابراین، موجب افزایش بازده وسیله هم می شود (شکل 1). در سلول Gräztel، آند از یک ماده ی دی اکسید تیتانیم مزوپروس حساس به رنگ می باشد و الکترون ها را از رنگ های تهییج یافته ای می گیرند و اکسید می شوند. رنگ اکسید شده در حقیقت واسط را اکسید می کند و عوامل اکسایش- کاهش در داخل الکترولیت حل می شوند. میانجی مورد استفاده بوسیله ی کاهش در کاتد باز تولید می شود. این کار با الکترون هایی انجام می شود که از طریق مدار خارجی گردش می کنند. طبیعت مزوپورس اکسید تیتانیم یک مساحت سطح داخلی قابل توجه برای کاهش میزان مواد مورد نیاز برای سلول را فراهم می آورد. فیلم های دی اکسید تیتانیم از سوسپانسیون های نانوذره ای، تولید می شود. رنگ های سنتزی خاصی در حال توسعه می باشند که موجب افزایش جذب نور می شوند. این سلول ها محصولات ارزشمندی هستند زیرا آنها با مواد ارزان قیمت تولید می شوند و نیازمند ادوات گران برای تولید این محصول، نیستند. تولید انبوه مواد پلیمری مورد استفاده و محصولات دیگر موجب شده است تا بتوان پتانسیل تولید نواحی بزرگتری برای سلول های خورشیدی ایجاد کرد. برخی شرکت ها مانند DyeSol، هم اکنون این نوع از سلول های خورشیدی را تولید و به فروش می رسانند. ضریب تبدیل این محصولات 12 % است (شکل 2).

سلول های خورشیدی حساس به کوانتم دات

یکی دیگر از روش ها، استفاده از نانوکریستال های نیمه رسانا (کوانتم دات ها (QDs)) به جای استفاده از رنگ های حساس به نور، در سلول Gräztel می باشد. برای مثال، کوانتم دات های CdSe، CdS، InP، InAs با شبکه های مزوپورس حاوی نانوذرات دی اکسید تیتانیم ترکیب می شوند تا بدین صورت سلول های خورشیدی حساس به کوانتم دات (QDSSCs) تولید شوند. عموماً QDs چندین مزیت در مقایسه را رنگ های آلی مورد استفاده در سلول Grätzel، دارند. آنها قابلیت تطابق بهتری با طیف خورشیدی دارند زیرا طیف جذبی آنها می تواند با اندازه ی نانوذره، تعیین شود. یک کشف مهم نانوتکنولوژی، در حقیقت افزایش بازده این نوع از سلول های خورشیدی می باشد. این مسئله اولین بار در می 2006، بوسیله ی یک تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس آمریکا گزارش شده است. محققین در این گروه تحقیقاتی فهمیدند که وقتی به نانوذرات با اندازه ی کمتر از 10 نانومتر از جنس سرب و سلنیوم (PbSe) نور تابیده می شود، یک پروتون از نور جذب می شود و در برابر سه الکترون تولید می شود. وقتی سلول های خورشیدی فوتوولتایی امروزی فوتون های نور خورشید را جذب می کنند، انرژی به یک الکترون تبدیل می شود و بقیه ی انرژی به صورت حرارت تلف می شود. بنابراین، نانوذرات PbSe دو الکترون بیشتر از بقیه ی نیمه رساناها، تولید می کنند. این فرایند را فرایند "تکثیر حامل" گویند. نانوتکنولوژی بدین صورت یک ماده ی مناسب برای سلول های خورشیدی پیشنهاد داده است که می تواند بازدهی بین 20-30 تا 65 % ایجاد کند.
پوشش های فوتوولتایی به تقلید از برگ نیلوفر آبی
برگ نیلوفر آبی بسیار آب گریز است، به حدی که آب به سادگی بر روی آن می لغزد و بدین صورت کثیفی را از سطح آن جدا می کند. نتیجه در واقع تمیز شدن برگ نیلوفر آبی است. این گیاه، یک نماد خالص بودن در فرهنگ هندی است. خواص ابرآب گریزی برگ نیلوفر آبی نتیجه ای از توپولوژی میکرویی و نانومتری آن و همچنین شیمی سطح آن است.
سطوح ابرآب گریز برای بهبود کارایی سلول های خورشیدی مناسب می باشند. یکی از مشکلات مربوط به این تکنولوژی، این است که سلول ها در خارج از ساختمان قرار دارند و بنابراین، مستعد کثیف شدن هستند. این لایه از کثیفی موجب می شود تا نواحی فعال سطحی این سلول ها پوشانده شده و بنابراین، بازده و عمر مفید سلول به طور قابل توجهی کاهش یابد. پوشش دهی سطح پنل های خورشیدی با یک پوشش آب گریز موجب می شود تا پانل ها تمیز بمانند. به دلیل زبری سطحی در حد نانومتری، این پوشش ها نسبت به نور UV شفاف هستند و از این رو، یکی از ضرورت های مورد نیاز برای این پوشش ها برطرف می شود. پوشش های ابر آب گریز دوام خوبی دارند و این مسئله طول عمر پانل های خورشیدی را بهبود می دهد.
در یکی از پروژه های تحقیقاتی، سلول های فوتوولتایی با پوشش های نانوساختاری، پوشش داده شدند که موجب افزایش جذب نور نیز شد. این پوشش ها از برگ نیلوفر آبی تقلید می کردند و آب گریز بودند. همچنین آنها اثرات خود تمیزشوندگی نیز به سطوح فوتوولتایی می دهند.

ذخیره سازی انرژی خورشیدی

ذخیره سازی انرژی الکتریکی یک مسئله ی کلیدی در استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یک منبع انرژی اصلی می باشد. بهترین مکان برای ذخیره سازی انرژی، در نزدیکی محل مصرف است. به صورت ایده آل، هر خانه، محل تجاری و یا ساختمانی، باید دارای وسایل ذخیره سازی خاص خود باشد. این بخش ها یک منبع بی وقفه تأمین کننده ی انرژی می باشند که قادر به برطرف نمودن تمام نیازهای مربوط به 24 ساعت روز می باشند. اگر این وسایل حاوی باتری های ذخیره سازی سرب- اسید معمولی باشند، یک چنین واحدی به طور نمونه وار ظرفیت ذخیره سازی 100 kWh انرژی را دارا می باشد. این سیستم نیازمند یک اتاق کوچک است و هزینه ای در حدود 10000 دلار دارد. از طریق مزیت های نانوتکنولوژی، این ممکن است که یک واحد معادل با اندازه ی یک ماشین لباس شویی داشته باشیم و بدین صورت هزینه ها به تنها 1000 دلار کاهش می یابد.

حرارت دهی خورشیدی

انرژی خورشیدی همچنین به عنوان منبعی برای حرارت دهی و تولید آب داغ، استفاده می شود. این آب می تواند برای گرمایش خانه ها و ادارات استفاده شود. سیستم های کنونی قادر به تبدیل 25 تا 40 % تابش خورشید به حرارت هستند. اصل مربوط به گرمایش، ساده است. یک ماده نور خورشید را جذب می کند و آن را به صورت مستقیم به آب انتقال می دهد. هر ماده ای که می تواند موجب بهبود مساحت سطح شود و یا موجب بهبود خواص جذبی ماده شود، موجب بهبود این تکنولوژی می شود. این مسئله با بسیاری از نانومواد قابل حصول می باشد. از آنجایی که خورشید منبع متغیر می باشد، کنترل تابش خورشیدی برخوردی مشکل است زیرا موقعیت همواره در حال حرکت می باشد. نانوتکنولوژی می تواند برای تولید آینه ها و لنزهای نانوساختار پیچیده مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این، ایروژل حاوی نانوتخلخل، به عنوان مواد عایق کننده ی گرمایی و برای پوشش دهی کالکتورهای خورشیدی، استفاده می شود.

هیدروژن

هیدروژن می تواند در آینده به عنوان یک حامل سوخت دوست دار محیط زیست مورد استفاده قرار گیرد. روش ایده آل تولید هیدروژن از طریق تفکیک مولکول های آب با استفاده از نور خورشید می باشد (شکل 3). هیدروژن می تواند به عنوان حامل انرژی برای تولید الکتریسیته در خانه ها، سوخت مورد استفاده در اتومبیل ها و ... استفاده شود. ایده ی ساخت پیل سوختی، ابتدا در سال 1839 بوسیله ی Sir William Grove ارائه شد. این فرد فکر می کرد که الکتریسیته می تواند از طریق عکس فرایند الکترولیز، تولید شود. در واقع در فرایند هیدرولیز، هیدروژن و اکسیژن از آب کافت تولید می شوند.
پیل های سوختی هیدروژنی از هیدروژن و اکسیژن به عنوان سوخت برای تولید الکتریسیته، استفاده می کنند. مولکول های سوخت در سلول و یا پیل، باید در حالت یونیزه، واکنش دهند. یونیزاسیون باید بوسیله ی الکترودها کاتالیست شود و الکترولیت باید گونه های یونی تشکیل شده را به گونه ای انتقال دهد که آنها با هم واکنش دهند (شکل 4). محصول فرعی این واکنش تنها آب است و دیگر دی اکسید کربنی از طریق این فرایند تولید نمی شود. نتیجه ی فرایند الکتروشیمیایی در واقع ایجاد ولتاژ ماکزیمم 1.2 ولت و توان یک وات بر سانتیمتر مربع می باشد. سه المان پایه ی پیل سوختی هیدروژنی، عبارتند از سوخت (هیدروژن و اکسیژن)، کاتالیزور و الکترولیت. در حال حاظر، مشکلاتی در ارتباط با هر یک از این المان ها وجود دارد که موجب می شود تولید و کار پیل های سوختی هیدروژنی، با چالش هایی رو برو باشد. همچنین بر اثر مشکلات گفته شده، این پیل ها، گران قیمت نیز هستند. به هر حال، این تکنولوژی به طول قابل توجهی در دنیا توسعه یافته است و تحقیقات جهانی به سمتی حرکت کرده است که محصولات مصرفی حاوی پیل سوختی در مقیاس بزرگ، به فروش می رسند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff