1. مقدمه
سلول‌های فوتوولتایی یکی از منابع خوش‌آتیه تامین انرژی در جهان هستند. تا سال ۲۰۵۰، ۱۵ تا ۳۰ درصد از برق جهان به‌وسیله‌ انرژی خورشیدی تامین خواهد شد. درحال حاضر، اغلب سیستم‌های فوتوولتایی از مونوکریستال‌ها یا پلی‌کریستال‌های سیلیکون ساخته می‌شوند. ازجمله ترکیبات جدیدی که امروزه در ساخت سلول‌های فوتوولتایی استفاده می‌شوند انواع نانوساختار‌های کربن هستند [۱].
سلول‌های خورشیدی مانند یک دیود از اتصالات p-n و ترکیب نیمه‌هادی‌های نوع N و P ساخته شده‌اند. بر اثر حرکت الکترون‌ها و حفره‌ها (ترکیب مجدد)، در محل اتصال یک میدان الکتریکی به‌وجود می‌آید. هرچه میدان الکتریکی قوی‌تر باشد، Voc بزرگ‌تری به‌دست می‌آید. در این صورت، باید اختلاف ترازهای فرمی دو نیمه‌هادی p و n از یکدیگر زیاد باشد. هنگامی که جذب نور خورشید اتفاق می‌افتد، الکترون‌ها به سمت لایه نوع N و حفره‌ها به سمت لایه نوع P حرکت می‌کنند و در محل تلاقی به هم برخورد می‌کنند. الکترون‌ها توسط حفره‌ها جذب می‌شوند و الکترون-حفره جدید جای آن‌ها را پر می‌کند. همین مسئله سبب به‌وجود آمدن جریان الکتریکی می‌شود. سلول خورشیدی برپایه سیلیکون، سلول خورشیدی آلی، و سلول خورشیدی رنگدانه‌ای ازجمله سلول‌های خورشیدی هستند که نانوساختارهای کربن در آن‌ها استفاده می‌شود. نقش انواع نانوساختار‌های کربن در ساخت آن‌ها در این مقاله مورد بحث قرار خواهد گرفت. شکل ۱ قسمت‌های مختلف هریک از این سلول‌ها را نشان می‌دهد [۱].
سلول‌های فوتوولتایی برپایه کربن توجهات فراوانی را، هم از نظر تحقیقاتی و هم از نظر کاربردی، به خود جلب کرده‌اند: سلول‌های خورشیدی که در ساختارشان از کربن استفاده می‌شود، یا فقط می‌توانند کربن خالص باشند، یا مواد دیگری در آن‌ها دوپ شود که این دوپ‌شونده‌ها از نوع n و p هستند. در این‌جا به برخی از نانوساختارهای کربن که در ساخت سلول‌های خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند اشاره خواهد شد (شکل ۲).

1.1. کربن بی‌شکل (Amorphous Carbon)
کربن آمورف یکی از ساختارهای کربن است که اتم‌های کربن در آن هیبریداسیون SP3 دارند. این ساختار خاصیت نیمه‌رسانایی نوع P را به‌صورت ضعیف نشان می‌دهد و می‌توان از آن به‌عنوان لایه ضدانعکاس (antireflection) در سلول‌های خورشیدی استفاده نمود تا از هدررفت انرژی جلوگیری کرد و کارآیی سلول‌ها را افزایش داد [۱].




کربن بلک به‌طور محدود در فوتوالکترود به‌کار می‌رود و عمده استفاده از این ساختار به‌عنوان کاتالیست در «الکترود شمارنده» سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای است تا بتواند جایگزین ارزان‌قیمتی برای پلاتین باشد. استفاده از مقادیر مناسب کربن بلک به‌شکل پوشش بر روی ساختار فوتوالکترود سبب افزایش راندمان سلول‌، Voc، و جریان می‌شود که این به‌دلیل خاصیت کاتالیستی آن است. فوتوالکترود در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به‌طور معمول از نیمه‌هادی‌ها (اکسید فلزات) ساخته شده که با کمپلکسی از یک رنگدانه مخلوط می‌شود [۲]. شکل ۳ ساختار یک سلول خورشیدی رنگدانه‌ای را نشان می‌دهد.

2.1. فولرین
فولرین‌ها پذیرنده‌های مناسبی برای الکترون در سلول‌های خورشیدی، به‌ویژه سلول‌های خورشیدی آلی و پلیمری، به‌شمار می‌روند؛ این به‌دلیل انتقال سریع الکترون از پلیمرهای متصل به فولرین به ساختار فولرین است. محاسبات تئوری نشان داده‌اند که کریستال‌های C60 نیمه‌هادی‌های نوع n هستند که ساختار fcc دارند و استفاده از آن‌ها می‌تواند راندمان سلول‌های خورشیدی را افزایش دهد. به‌عنوان مثال، پلیمرهایی مانند P3HT(poly(3-hexylthiophene)) که در نقش دهنده و PCBM ([6,6]-phenyl-C61- butyric acid methyl ester) که در نقش پذیرنده الکترون عمل می‌کنند می‌توانند به C60 متصل شوند؛ درنتیجه، حلالیت آن‌ها به میزان قابل ملاحظه‌ای بهبود پیدا می‌کند و حتی می‌توان فولرین‌های عامل‌دارشده با گروه‌هایی مانند سیانوبی‌فنیل را به‌کار گرفت. البته استفاده از این سیستم‌ها به دو علت هنوز به مرحله تجاری‌سازی نرسیده است: نوار ممنوعه (band gap) آن‌ها بزرگ است و تنها درصد کمی از کل طیف خورشیدی را جذب می‌کنند؛ حمل و جمع‌آوری بار در آن‌ها، به‌دلیل عدم پیوستگی فازها، با تاخیر انجام می‌شود [۱,۳].

3.1. گرافن و نانولوله‌های کربن
از روش‌هایی که برای سنتز نانولوله‌های کربن پیشنهاد شده روش تخلیه الکتریکی قوس (Arc Discharge)، سایش لیزری (Laser Ablation)، و رسوب‌دهی شیمیایی بخار (Chemical Vapor Deposition) است. اغلب این روش‌ها در خلا انجام می‌شود و تفاوت آن‌ها در کاتالیست مورد استفاده، درصد خلوص نانولوله به‌دست‌آمده، نوع نانولوله (تک‌دیواره/چنددیواره)، و راندمان تولید است. روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار برای سنتز گرافن و نانولوله بر روی گرافن نیز استفاده شده است.
گرافن یک تک‌لایه از ساختار دوبعدی گرافیت است و فقط به‌اندازه یک اتم قطر دارد. این ساختار، مانند CNT، استحکام بالا و هدایت جریان خوبی دارد. صفحات گرافنی مانند CNTها به‌‌شکل زیگزاگ (خاصیت فلزی) و آرمچر (که هم خاصیت فلزی و هم خاصیت نیمه‌رسانایی دارد) وجود دارند.


نانولوله‌های کربن نیز، به‌دلیل ساختار‌های لانه‌زنبوری کربن و کایرالیته مختلفی که باتوجه به محورهایشان دارند، می‌توانند خواص فلزی یا نیمه‌رسانایی داشته باشند [۱]. CNTهای نیمه‌رسانا معمولاً از نوع P هستند و ترکیب آن‌ها با گروه‌های الکترون دهنده می‌تواند ساختاری جدید بسازد که انرژی خورشید را می‌گیرد و تبدیل به جریان الکتریسیته می‌کند. بر اثر مخلوط‌کردن CNTهایی با کایرالیته و قطرهای متنوع، نوارهای فاصله مختلف و همچنین پاسخ‌هایی متفاوت در سلول‌ها به‌وجود می‌آید.
همانطور که می‌دانید، سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای از قسمت‌های مختلف ازجمله فوتوالکترود، الکترود شمارنده، و الکترولیت تشکیل شده‌اند [۱]. یکی از مناسب‌ترین گزینه‌های جایگزینی با پلاتین در الکترود شمارنده نانوکامپوزیت کربن برپایه گرافن است که در نقش الکترود شمارنده مورد استفاده قرار می‌گیرد. نانولوله‌های کربنی به‌کاررفته در ساختار کامپوزیت می‌توانند به‌دلیل مساحت سطح و هدایت جریان بالایی که دارند کارآیی سلول‌های خورشیدی را افزایش دهند. همان‌طور که در شکل ۴ مشاهده می‌کنید، محققان در بررسی‌های صورت‌گرفته توانسته‌اند از نانولوله‌های کربن برپایه گرافن در الکترودهای شمارنده در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به‌صورت کامپوزیتی استفاده کنند. این ساختارها را به روش هامر (Hummer) با استفاده از گرافیت خالص، که اندازه آن کوچک‌تر از ۲۰ میکرون است، تهیه می‌کنند.
در این روش لایه‌های گرافن بر روی بستری از جنس Si/SiO₂ نشانده می‌شود و پس از خشک‌شدن، یک لایه نازک از آهن به‌قطر nm ۶ به‌عنوان کاتالیست به‌روش پاشش یونی روی لایه‌های گرافنی قرار می‌گیرد. درنهایت، نانولوله‌های کربن به‌روش CVD با استفاده از گاز استیلن روی آن‌ها نشانده می‌شود. این نانولوله‌ها به‌کمک یک بافر از روی بستر سیلیسیومی جمع‌آوری می‌شوند و بر روی یک شیشه از جنس FTO می‌نشینند. در این‌جا یک الکترود شمارنده برای سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای ساخته شده است؛ با ساندویچ‌کردن این الکترود به‌وسیله یک لایه نازک از جنس TiO₂ نانوکریستالی که در نقش الکترود کار است، می‌توان یک سلول خورشیدی تهیه نمود. همانطور که در شکل ۵ مشاهده می‌کنید، نانولوله‌های کربنی چند‌دیواره‌ای که چگال‌‌تر هستند به‌صورت عمودی روی لایه‌های گرافنی رشد کرده‌اند [۴]. همچنین استفاده از ساختارهای نانولوله و گرافن در فوتوالکترود باعث افزایش سرعت انتقال الکترون از آن‌ها خواهد شد. با وجود این، افزایش درصد نانولوله‌ها و همچنین گرافن سبب افزایش نرخ بازگشت الکترون از فوتوالکترود می‌شود. بنابراین، مقدار بهینه‌ای وجود دارد. همانگونه که در نمودار توان تبدیل جریان برحسب ولتاژ مشاهده می‌کنید، سه الکترود مختلف از جنس گرافن، نانولوله کربنی چند‌دیواره (MWCNT)، و نانولوله کربنی چند‌دیواره برپایه گرافن (GMCWNT) با یکدیگر مقایسه شده‌اند؛ انتقال بار در الکترود از جنس GNWNT بالاتر از دو الکترود دیگر است [۴].

همچنین می‌توان نانولوله‌های کربنی را که به‌روش CVD با استفاده از کاتالیست آهن سنتز شده‌اند ازنظر نحوه قرارگیری روی سطح با ساختار کامپوزیتی مقایسه کرد (شکل ۶)؛ به‌این‌صورت که لایه نازکی از نانولوله‌های کربنی، که به‌طور تصادفی روی سطح پخش شده‌اند، و لایه‌ای از نانولوله‌های کربنی، که به‌صورت عمود روی سطح قرار گرفته‌اند، هردو با یک روش (CVD) و با استفاده از یک کاتالیست معین (آهن) سنتز شده‌اند. اما در مقایسه دریافته‌اند که بهترین خواص کاتالیستی مربوط به لایه کامپوزیتی است، چون مساحت سطح فعال آن نسبت به بقیه بالاتر است و فعالیت کاتالیستی بیشتری دارد. فعالیت کاتالیستی در لایه‌های حاوی نانولوله‌های کربنی کمتر است؛ به‌همین دلیل، انتقال بار در آن‌ها محدود می‌شود و در برابر آن (انتقال بار) مقاومت می‌کنند [۵].

سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای باتوجه به هزینه ساخت اندک، سمیت کم، و سبک‌بودن نسبت به اتصالات p-n برتری دارند. رنگدانه‌های مختلفی ازجمله رنگدانه روتنیوم (II) را می‌توان برای ارتقای راندمان سلول‌های خورشیدی به‌کار برد؛ برای این منظور کمپلکسی از آن سنتز می‌شود. سپس این رنگدانه، با استفاده از تیونیل کلراید یا ترکیباتی مانند اتیلن دی‌آمین، به نانولوله‌های چند‌دیواره عامل‌دارشده متصل می‌گردد تا جذب نور افزایش پیدا کند [۶].

چنانچه از نانو‌لوله‌های کربنی تک‌دیواره استفاده شود، درصورتی‌که این نانولوله‌ها به‌روش هیدروترمال سنتز شده باشند، راندمان واکنش درمقایسه با روش تخلیه قوس بهتر است. ضخامت SWCNTها بر راندمان سلول‌ها تاثیر دارد. هرچه ضخامت SWCNT بالاتر برود، شرایط بهینه‌تر می‌شود؛ اما اگر ضخامت خیلی زیاد شود، روی عملکرد سلول نتیجه معکوس دارد، زیرا با افزایش بیش از حد ضخامت SWCNTها، شفافیت سلول کم می‌شود و راندمان آن پایین می‌آید [۷].


در برخی موارد می‌توان ساختار SWCNT را تغییر داد و آن را اصلاح کرد. به‌عنوان مثال، این کار به‌وسیله‌ تیوفن در سلول‌های خورشیدی آلی انجام می‌شود. سلول‌های خورشیدی آلی از مواد آلی ارزان که روش تهیه آن‌ها آسان است ساخته شده‌اند. SWNTها در دو حالت فلزی و نیمه‌رسانا وجود دارند و می‌توانند به‌راحتی الکترون بپذیرند و آن را در امتداد محورشان جابه‌جا کنند. هرگز نامحلول‌بودن CNTها مشکلی در سلول‌های فوتوولتایی به‌شمار نمی‌‌آید. اصلاحات شیمیایی روی این ساختارها انجام می‌شود و آن‌ها را به‌راحتی محلول می‌سازد. عاملدارشدن SWCNTها جذب را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد [۸,۹].

نانوفیبرهای کربنی از دیگر ساختارهایی هستند که در الکترودهای شمارنده استفاده می‌شوند. پلاتین، به‌دلیل هدایت خوب و فعالیت کاتالیستی فوق‌العاده‌ای که دارد، به‌عنوان کاتالیست برای کاهیدن تری‌یدید (I^-3) در سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای بر روی بستر شیشه‌ای (Transparent Conducting Oxide)TCO نشانده می‌شود. پلاتین فعالیت کاتالیستی قابل توجهی دارد، اما بسیار گران و کمیاب است. این مسئله موجب شد تا ضرورت یافتن یک ماده کاتالیستی ارزان‌تر و پایدارتر که فراوانی طبیعی بیشتری دارد احساس شود. اخیراً، از موادی مانند نانوفیبرهای کربن در نقش کاتالیست‌های الکترود شمارنده، به‌عنوان جایگزینی برای پلاتین، استفاده می‌شود. استفاده از نانوفیبرهای کربن سرعت انتقال الکترون، تبدیل انرژی، و به‌طور کلی کارایی سلول خورشیدی رنگدانه‌ای را افزایش می‌دهد [۱۰]. البته می‌توان از نانوفیبرهای غیرکربنی - مانند نانوفیبرهای فلزات واسطه فرومغناطیس مثل Fe ،Co، و Ni که به‌روش الکتروریسندگی تهیه شده‌اند - نیز بهره گرفت. این نانوفیبرهای مغناطیسی در سلول‌های خورشیدی و حسگرهای مغناطیسی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در روشی دیگر از نانوذرات کربن رسانا استفاده کرده‌اند. مثلاً، از پرکننده‌هایی که الکترون را غیرفعال می‌کند استفاده می‌شود که به بستر کامپوزیت پلیمری اضافه می‌شود و هدایت یونی در بستر پلیمر افزایش می‌یابد. اضافه‌کردن نانوذرات رسانای کربن به پلیمر برای این است که رسانش به پلیمرهای نارسانا تزریق شود [۱۱].



4.1. نقاط کوانتومی (Quantum Dots)
برای ساخت سلول‌های فوتوولتایی می‌توان از نقاط کوانتومی‌ در نقش حساس‌کننده (Sensitizer) همراه با رنگدانه‌های آلی یا آلی فلزی مانند CdTe ،CdSe، CdS و PbS استفاده نمود. حساس‌کننده‌های نقطه کوانتومی هزینه ساخت اندک دارند؛ نیز ضریب خاموشی بالایی، در حدود (10⁵ dm³mol^-1cm^-1)، دارند که باعث افزایش راندمان تبدیل انرژی در سلول‌های خورشیدی می‌شود. البته تبدیل نوری حساس‌کننده‌های نقطه کوانتومی مطلوب نیست؛ یکی از مهم‌ترین دلایل آن سرعت ترکیب مجدد بار در سطح نیمه‌هادی است که برای کاهش آن می‌توان از نانولوله‌های کربن، به‌ویژه نانولوله‌های تک‌دیواره و همچنین نانوسیم‌های ZnO، به‌عنوان عاملی که بار را به‌خوبی جابه‌جا می‌کند استفاده کرد [۱۲]. این نیمه‌هادی‌های یک‌بعدی به‌دلیل نسبت سطح به حجم بالایی که دارند، پایداری شیمیایی بالا، و جنبش زیاد الکترونی می‌توانند در نقش الکترود شمارنده برای کاهش مقاومت انتقال بار عمل کنند. به‌عنوان مثال، در [۱۳] در ابتدا نانولوله‌های کربنی به‌صورت عمود بر سطح بستر سنتز شده و به‌طور همزمان نانومیله‌های ZnO روی آن‌ها نشانده می‌شوند تا مکان بیشتری برای نشستن نقاط کوانتومی ایجاد شود. نانولوله‌های کربنی هم می‌توانند به‌عنوان تمپلیت برای رشد اکسید روی به‌کار روند و هم به‌عنوان افزودنی به نقاط کوانتومی برای بهبود خواص الکترونی آن‌ها [۱۳].

2. بحث و نتیجه‌گیری
از میان ‌ترکیباتی که تاکنون در ساخت سلول‌های خورشیدی مورد استفاده قرار گرفته‌اند، نانوساختارهای کربن به‌دلیل خواص نوری، فیزیکی، و شیمیایی منحصربه‌فردشان به‌عنوان موادی ارزان و پاک برای تولید انرژی پیشنهاد می‌شوند. برای افزایش راندمان تبدیل انرژی نورانی خورشید ابتکاراتی ارائه شده است که از جمله آن‌ها می‌توان به استفاده از نانوساختارهای کربن در نقش الکترودهای حساس به فوتون برای تبدیل انرژی نورانی خورشید به جریان الکتریسیته اشاره نمود. به‌عنوان مثال، از کربن بی‌شکل می‌توان به‌عنوان لایه ضدانعکاس در سلول‌های خورشیدی به‌منظور جلوگیری از هدررفت انرژی بهره گرفت. کربن بلک به‌عنوان کاتالیست در «الکترود شمارنده» سلول‌های خورشیدی رنگدانه‌ای به‌کار می‌رود. استفاده از فولرین‌ها، که پذیرنده‌های خوبی برای الکترون در سلول‌های خورشیدی به‌ویژه سلول‌های خورشیدی آلی و پلیمری به‌شمار می‌روند، باعث بهبود راندمان سلول‌های فوتوولتائیک می‌شود. استفاده از ساختارهای نانولوله و گرافن در فوتوالکترود سبب افزایش سرعت انتقال الکترون می‌شود. نقاط کوانتومی‌ هم می‌توانند به‌عنوان حساس‌کننده همراه با رنگدانه‌های آلی یا آلی فلزی به‌کار روند. به‌دلیل خواص منحصربه‌فرد نانوساختارهای کربن، از آن‌ها در ذخیره‌سازی انرژی و در آینده‌ای نزدیک، در ساختار باتری‌هایی که در سلول‌های خورشیدی کاربرد دارند، استفاده خواهد شد.