علم نانو و نانوساختارهای مورد استفاده در تولید سوخت های خورشیدی و فتوولتاییک

ذرات الکترونی کوانتومی (الکترون‌های منفی و حفره‌های با بار الکتریکی مثبت) موجود در نانوکریستال‌ها، ویژگی‌های نوری و الکترونی را به وجود می‌آورند که باعث افزایش کارآئی تبدیل انرژی سلول‌های خورشیدی به سوخت‌های خورشیدی و فوتوولتائیک با هزینه کم می‌شود. به این رویکردها و کاربردها، تبدیل فوتون خورشیدی نسل سوم اطلاق می‌شود. از جمله مهم‌ترین این ویژگی‌ها می‌توان به تشکیل بیش از یک زوج الکترون- حفره (که Excitons در نانوکریستال نیز نامیده می شود) از یک فوتون جذب شده منفرد، اشاره کرد. در نانوکریستال‌های ایزوله‌شده، حامل‌های انرژی سه بعدی (کوانتوم دات‌ها یا نقاط کوانتومی) یا دوبعدی (سیم‌ها یا میله‌های کوانتومی) موجود است. به این فرآیند، تولید Exciton‌های مضاعف گفته می‌شود. این مقاله به علوم مربوط به اپتوالکترونیک (الکترونیک نوری) و ویژگی‌های نانوکریستال‌ها می‌پردازد و همچنین مروری بر وضعیت فناورانه نانوکریستال‌ها و نانوساختارها در تولید نسل سوم سوخت‌های خورشیدی و سلول‌های فوتوولتائیک دارد.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
- فوتوولتائیک‌های بر پایه نیمه‌هادی‌های حجیم
- سلول‌های خورشیدی حاوی حامل‌های برانگیخته جهت افزایش کارآئی تبدیل
- کوانتوم دات، مولد‌های Exciton مضاعف و سلول‌های خورشیدی نسل سوم
- پیکربندی‌های سلول‌های خورشیدی بر پایه کوانتوم دات و شکافت یکتائی
- الکترون‌های نوری تشکیل شده از آرایه‌های کوانتوم دات
- سلول‌های خورشیدی بر پایه کوانتوم دات حساس شده با نانو کریستال‌های دی اکسید تیتانیوم
- کوانتوم دات‌های پخش شده در نیمه‌هادی‌های آلی با ماتریس پلیمری

 

زمانی که ذرات الکترونی نانوساختارهای نیمه‌هادی‌ها در فضای بسیار کوچکی محدود و منحصر می‌شوند، اثرات کوانتائی از خود نشان می‌دهند. این محدودیت‌ها و انحصار می‌تواند در یک بعد (فیلم‌های کونتومی، در سال 1980 با نام جریان کوانتمی نامیده می‌شدند و به عنوان اولین مواد کوانتائی در بین مواد نانوسایز است)، در دو بعد (میله‌ها یا سیم‌های کوانتومی) یا در سه بعد (کوانتوم دات‌ها) باشند. بعضی از نویسندگان از علائم 2D، 1D و 3D استفاده می‌کنند البته این علائم دقیق نیستند. البته دیگر مواد نانوساختار از قبیل فلزات و مواد آلی نیز می‌توانند مطرح باشند ولی در این مقاله، بیشتر نیمه‌هادی‌های نانوساختار مد نظر است و کاربردهای آن‌ها در تبدیل انرژی خورشیدی و الکتریسیته خورشیدی (فوتوولتائیک) مورد بحث است.
امروزه نیمه‌هادی‌های حجیم در ساختار فوتوولتائیک‌های تجاری به کار برده می‌شوند. امروزه سوخت‌های خورشیدی (تبدیل مستقیم دی اکسید کربن یا آب به سوخت‌هائی از قبیل هیدروژن، الکل‌ها، هیدروکربن‌ها یا کربوهیدرات‌ها) مورد توجه خاص هستند. اما سوخت‌های خورشیدی بر خلاف فوتوولتائیک‌ها هنوز به صورت صنعتی تولید نمی‌شوند. سوخت‌های زیستی از تابش نور خورشید که عامل فوتوسنتز بیولوژیکی است، منشأ می‌گیرد و از صنایع جدید امروزی است. اما مورد بحث این مقاله نیست و در تقسیم‌بندی‌های سوخت‌های خورشیدی قرار نگرفته است. فرآیند سوخت‌های زیستی شامل دو مرحله است که عبارتند از: برداشت محصول زیستی و تبدیل آن‌ها از طریق فرآیندهائی از قبیل تخمیر و تصفیه حرارتی.
علم نانو که در این مقاله مورد بحث است در ارتباط با پدیده فوتوولتائیک است و می‌تواند در رویکردهای مربوط به تولید مستقیم سوخت‌های خورشیدی مهم باشد.
مواد کریستالی نانوساختار به عنوان نانوکریستال‌ها شناخته می‌شوند که دارای اشکال مختلفی از قبیل کروی، مکعبی، میله‌ای، سیم، لوله‌ای، پوسته چهارپر، ریبون (نوار)، فنجانی، صفحه‌ای و به شکل قرص هستند. شکل اول مربوط به کاربردهای مرتبط با انرژی‌های تجدید شدنی هستند و لیکن در این مقاله موضوع بحث بر روی کوانتم‌دات‌های نیمه‌هادی و همچنین نانولوله‌های کربنی تک دیواره است.

فوتوولتائیک‌های بر پایه نیمه‌هادی‌های حجیم
اساس کار سلول‌های خورشیدی فوتوولتائیک بر مبنای جذب انرژی خورشید است. انرژی خورشیدی از فاصله لایه الکترونی نیمه‌هادی‌ها بیشتر است و باعث ایجاد الکترون‌های با بار الکتریکی منفی و حفره با بار الکتریکی مثبت می‌شود. نیمه‌هادی‌های معدنی حجیم دارای ثابت دی الکتریک بالائی هستند و ذرات الکترونی تولید شده در دمای اتاق، ناپیوسته هستند و از طریق هدایت الکتریکی، نیمه‌هادی‌ها به سرعت جابه جا می‌شوند که به آن‌ها حامل‌های آزاد یا بارهای الکتریکی آزاد اطلاق می‌شود. نیمه‌هادی‌های آلی دارای ثابت دی الکتریک پائینی هستند و حامل‌های مولد فوتون، پیوسته هستند و زوج «الکترون-حفره» را تشکیل می‌دهند که با نام Exciton نامیده می‌شوند. در نیمه‌هادی‌های معدنی برای تفکیک الکترون‌های آزاد و حفره، میدان الکتریکی داخلی مورد نیاز است و سپس هر کدام از آن‌ها در الکترودهای با بار الکتریکی مخالف جمع می‌شوند و در سلول‌های فوتوولتائیک مورد استفاده قرار می‌گیرند. این میدان الکتریکی از اتصال n-p در تجهیزات به وجود می‌آید. بنابراین اتصالات شاتکی بین نیمه‌هادی و فلز یا مایع، با انرژی آزاد ترمودینامیکی مربوط به نیمه‌هادی‌ها برخورد کرده و می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.
در نیمه‌هادی‌های آلی، Excitonها باید تفکیک شوند طوری که اجزاء آن باید از هم جدا شده و در الکترودهای با بار الکتریکی مخالف جمع شوند.
همه سلول‌های خورشیدی دارای یک ویژگی بارز با نام فوتون‌ها هستند. فوتون‌ها دارای انرژی است که از فاصله لایه الکترونی نیمه‌هادی‌ها بیشتر است و باعث تولید حامل‌های آزاد یا Excitonها می‌شوند و حامل‌های برانگیخته یا Excitonهای برانگیخته نامیده می‌شوند. به این انرژی زیاد الکترون، انرژی آزاد سینتیکی گفته می‌شود و به سرعت (پیکو ثانیه تا کمتر از پیکو ثانیه) از طریق پراکنش فونون-الکترون از بین می‌رود و به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود. سپس حامل‌های ازاد یا Excitonها، سطوح انرژی پائین را اشغال می‌کنند (سطح انرژی پائین به لایه‌های بالائی لایه ظرفیت و لایه‌های پائینی هدایت الکتریکی اطلاق می‌شود) و طوری که برای کاربردهای شیمیائی یا الکتریکی می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند و یا اینکه از طریق ترکیب مجدد تابشی یا غیر تابشی از بین می‌روند. در سال ۱۹۶۱، Shockley و Queisser حداکثر کارآئی ترمودینامیکی حاصل از تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی در سلول‌های فوتوولتائیک را محاسبه کردند و ضمنا برای محاسبه فوق دو فرضی را در نظر گرفتند: ۱) برگشت حامل‌ها به سطوح انرژی پائین، ۲) تنها سازوکار از بین رفتن انرژی آزاد، ترکیب مجدد تابشی باشد. با محاسبات انجام شده، حداکثر کارآئی ترمودینامیکی معادل ۳۳-۳۱ درصد با فاصله باند بهینه eV ۱/۱ - ۱/۴ گزارش شده است (فاصله لایه مربوط به سیلیکون و آرسنید گالیوم بسیار نزدیک به این مقدار است).
یک روش برای کاهش اتلاف انرژی ناشی از برگشت به سطح انرژی پائین در حامل‌ها، اتصال نیمه‌هادی‌های مختلف با فاصله لایه‌های متفاوت است که بیشترین فاصله لایه‌ها حاصل می‌شود. کارآئی تبدیل فاصله لایه‌های مضاعف که با طیف نور خورشید تطبیق یافته است، ۶۷ درصد در شدت  است. البته محدودیت‌هایی نیز در اتصال تعداد لایه‌ها وجود دارد. عملا ۲ تا ۳ فاصله لایه به هم متصل شده‌اند و بالاترین کارآئی مشاهده شده برای این نوع اتصالات سلول‌های فوتوولتائیک، اتصال ۳ تائی است. محاسبات تئوری نشان می‌دهند که با استفاده از ۲ شکاف لایه، کارآئی معادل ۴۳ درصد، با ۳ شکاف لایه کارآئی معادل ۴۸ درصد، با ۴ شکاف لایه کارآئی معادل ۵۲ درصد و با ۵ شکاف لایه کارآئی معادل ۵۵ درصد حاصل خواهد شد. میزان کارائی ثبت شده در آزمایشگاه مربوط به اتصال سه‌گانه (GalnP₂/GaAs/Ge (or GalnASاست که معادل ۴۱ درصد است با شدت‌های 140sun) - 240) بالاترین کارآئی اندازه گیری شده مربوط به یک اتصال منفرد سیلیکون در سلول‌های فوتوولتائیک است و در شدت  بازدهی معادل ۲۵ درصد اندازه گیری شده است. کارآئی ماژول‌های فوتوولتائیک تجاری، ۷۵ درصد میزان کارائی اندازه گیری شده در آزمایشگاه است.

سلول‌های خورشیدی حاوی حامل‌های برانگیخته جهت افزایش کارآئی تبدیل
در سال ۱۹۸۲، محاسبات ترمودینامیکی برای اولین بار نشان داد که کارآئی بالای به دست‌آمده از اتصال پیوسته شکاف‌های لایه می‌تواند از طریق به کارگیری انرژی بیشتر حاصل حامل‌های برانگیخته مولد نور باشند به شرطی که قبل از اینکه آن‌ها سرد شوند و از طریق پراکنش فونون-الکترون به دمای شبکه برساند، به کار گرفته شوند. در محدوده دمای K ۳۰۰۰، بازده تبدیل به ۶۷ درصد می‌رسد. یک روش برای رسیدن به این درصد بازده بالا این است که قبل از اینکه حامل‌های برانگیخته سرد شوند، به جمع کننده‌های حامل که با انرژی خروجی برخورد می‌کنند، انتقال یابند (داخل یک الکترولیت اکسنده - کاهنده در یک سلول تولیدکننده سوخت فوتوالکتروشیمیائی یا به وسیله‌ی یک تماس اهمی در یک سلول فوتوولتائیک. بـه این ســلول‌ها، سلول‌های خورشیدی بر پایه حامل‌های برانگیخته گفته می‌شود. رویکرد ثانویه، استفاده از انرژی سینتیکی حامل‌های برانگیخته جهت تولید زوج‌های الکترون -حفره است. این فرایند در نیمه‌هادی‌های حجیم، یونیزاسیون ضرب‌های نامیده می‌شود و فرایندی از نوع اوژر معکوس (Inverse Auger) است. بنابراین یونیزاسیون ضربه‌ای نمی‌تواند در بهبود بازده تبدیل نیرو در سلول‌های خورشیدی امروزی، که بر پایه" Si,CdTe,CuIn_xGa_1-x Se₂ و یا نیمه‌هادی‌های نوع III-V هستند، مثمر ثمر باشد زیرا بازده کوانتومی برای یونیزاسیون ضربه‌ای منجر به تولید حامل‌های اضافی نمی‌شود درنتیجه انرژی‌های فوتون نمی‌توانند به ناحیه ماوراءبنفش در طیف نور خورشید برسند. در نیمه‌هادی‌های حجیم، آسـتانه انرژی فوتون برای یونیزاسیون ضربه‌ای جهت حفظ انرژی، افزایش می‌یابد زیرا مومنتوم کریستال (k) باید حفظ شود بعلاوه سرعت یونیزاسیون ضربه‌ای باید با سرعت اسایش انرژی قابل رقابت باشد که این کار با نشر فونون از طریق انتشار فونون-الکترون حاصل می‌شود. زمانی که انرژی سینتیکی الکترون چند برابر انرژی شکاف لایه (Eg) است آنگاه سرعت یونیزاسیون ضربه‌ای با سرعت انتشار فونون قابل رقابت می‌شود. در نیمه‌هادی‌های حجیم، انتقال بین یونیزاسیون ضربه‌ای کارآمد و ناکارآمد به اهستگی اتفاق می‌افتد به عنوان مثال در سیلیکون بازده یونیزاسیون ضربه ای تنها ۵ درصد (بازده نهائی کوانتوم برابر ۱۰۵ درصد) در "hv=4ev(3.6 Eg)" و ۲۵ درصد در  است.

کوانتوم دات، مولد‌های Exciton مضاعف و سلول‌های خورشیدی نسل سوم
به دلیل محدودیت‌های فضائی الکترون‌ها و حفره‌ها در کوانتوم دات ها: ۱) زوج +e^- + h وابسته به هم هستند و به صورت Exciton نسبت به حامل‌های آزاد حضور دارند، ۲) سرعت برگشت به لایه با انرژی پائین‌تر در الکترون‌های برانگیخته و حفره‌ها کند است و دلیل آن تشکیل حالت‌های الکترونی مجزا است، ۳) مومنتوم، عدد کوانتوم مناسبی به نظر نمی‌رسد و بنابراین نیاز به مومنتوم کریستال نیز کاهش می‌یابد، ۴) به دلیل افزایش بر هم‌کنش کولنی در زوج+e^- + h  فرایند اوژر نیز افزایش می‌یابد. به دلیل عوامل ذکر شده، پیش بینی می‌شود که تولید زوج‌های مضاعف +e^- + h در کوانتوم دات‌ها نسبت به نیمه‌هادی‌های حجیم افزایش پیدا خواهد کرد و همچنین آستانه انرژی (hv_th) برای تقویت زوج الکترون-حفره (EHPM) و کارآئیشان (تعداد زوج الکترون-حفره تولید شده به ازاء شکاف لایه انرژی اضافی، بالاتر از استانه انرژی EHPM) نیز افزایش خواهد یافت. در کوانتوم دات‌ها، تشکیل Excitonهای مضاعف، با نام «تولید Excitonهای مضاعف» یا MEG خوانده می‌شود. حامل‌های آزاد از طریق تفکیک Excitonها به وجود می‌آیند که در ساختار تجهیزات فوتوولتائیک نیز اتفاق می‌افتد. در سال ۲۰۰۱، امکان افزایش MEG در کوانتوم دات‌ها پیشنهاد شده است و شکل ۱ نیز مفهوم کلی از آن را به نمایش گذاشته است. شکل 2 محاسبات (Shokley and Queisser) S-Q در محدوده تابشی را برای سلول‌های خورشیدی متداول در مقایسه با سلول‌های خورشیدی کوانتوم دات، به نمایش گذاشته است و از ویژگی‌های مختلف MEGها در موضوع استانه انرژی فوتون (hv_th) و کارآئیشان ηE_HPM استفاده کرده است. معادله زیر رابطه بین آستانه انرژی فوتون (hv_th) برای MEG و کارآئیشان η_EHPM نشان می‌دهد:
این مقاله نشان می‌دهد که چرا برای مقایسه کارآئی MEG در مقابل یونیزاسیون ضربه ای در مواد حجیم از رابطه  استفاده می‌شود، شیب خط مربوط به نمودار بازده کوانتومی MEG در مقابل  کارائی MEG یا η_EHPM خواهد بود. به کارگیری hv به جای  در مقالات پیشین پیشنهاد شده بود که این محاسبات از اعتبار کافی برخوردار نبودند زیرا اختلاف کارآئی بین MEG در کوانتوم دات‌ها و یونیزاسیون ضربه‌ای در نیمه‌هادی‌های حجیم وجود نداشت. در کوانتوم دات‌های سلنید سرب، کارآئی MEG (η_EHPM) دو برابر سلنید سرب حجیم گزارش شده بود.
 

شکل 1: تولید Exciton مضاعف در کوانتوم دات‌ها

همان طور که از شکل ۲ پیداست بیشترین بهره MEG، که افزایش حداکثر کارائی تبدیل نیروی قابل دستیابی از ۳۲ درصد به ۴۴ درصد در شدت Sun 1 است، زمانی به دست می‌آید که انرژی فوتون برای آستانه MEG ۲ برابر شکاف لایه کوانتوم دات باشد و همچنین بازده کوانتومی به صورت تابع پلکانی تدریجی افزایش می‌یابد طوری که وقتی انرژی فوتون N برابر Eg است، مقدار بازده کوانتومی نیز N خواهد شد. زمانی که آستانه MEG، ۲ برابر Eg است بازده کوانتومی نیز به صورت خطی در مقایسه با انرژی فوتون افزایش می‌یابد (l₂ در شکل ۲). در این حالت حداکثر کارائی تبدیل معادل ۳۷ درصد است. بر طبق معادله ۱، آستانه انرژی MEG (یا یونیزاسیون ضربه‌ای)، (hv_th) با کاهش مقدار کارآئی MEG، η_EHPM افزایش می‌یابد. همچنین شکل ۲ نشان می‌دهد که حداکثر کارآئی تبدیل سلول‌های خورشیدی بر پایه کوانتوم دات برای نیمه‌هادی‌های حجیم با شکاف لایه کم (کوچکتر از ev0.5) 3 برابر نیمه‌هادی‌های همان سلول‌های خورشیدی است که از MEG استفاده نکرده‌اند. اگر شکاف لایه به مقدار 1.3-0.9 ev افزایش یابد، حداکثر کارآئی به میزان ۵-۴ برابر مواد حجیم خواهد بود. نیمه‌هادی‌های حجیم برای تقویت حامل‌ها از طریق یونیزاسیون ضربه‌ای، استانه انرژی فوتونی معادل ۴-۳ برابر انرژی شکاف لایه مواد حجیم دارند و همان طور که از شکل ۲ پیداست از طریق تقویت حامل‌ها نمی‌توانند کارآئی تبدیل انرژی بالائی از خود نشان دهند. شناخت و گسترش سیستم‌های کوانتوم دات، که l₂ یا ویژگی پلکانی MEG را نشان می‌دهد (شکل ۲)، از جمله موضوعات بحث برانگیز در انجام تحقیقات بر روی سلول‌های خورشیدی بر پایه کوانتوم دات است.
 

شکل ۲: محاسبات (S-Q (Shokley and QueiSSer مربوط به کارآئی تبدیل انرژی سلول فوتوولتائیک برای ویژگی‌های MEG در سلول‌های خورشیدی کوانتوم دات در مقایسه با سلول‌های فوتوولتائیک بر پایه نیمه‌هادی‌های حجیم. (n)L آستانه انرژی فوتون MEG در واحدهائی از شکاف لایه انرژی را نشان می‌دهد. شیب نمودار نشانگر کارآئی MEG (Exciton‌های اضافی/ شکاف لایه انرژی فوتون است)
 

همان طور که در بالا توضیح داده شد زوج‌های الکترون برانگیخته-حفره جهت افزایش کارائی تبدیل به کار گرفته می‌شود. نانو کریستال‌ها و کوانتوم دات‌ها نیز می‌توانند در سلول‌های خورشیدی نسل سوم به کار گرفته شوند و باعث افزایش کارائی تبدیل شوند. این فرایند به صورت زیر انجام می‌شود: ۱) به کارگیری ارایه‌های کوانتوم دات در لایه حدواسط سلول‌های خورشیدی و تشکیل لایه الکترونی جدید در شکاف لایه اولیه نیمه‌هادی، طوری که باعث جذب انرژی پائین تر می‌شود ۲) به کارگیری نانوساختارها جهت اصلاح طیف ورودی خورشیدی از طریق فرایند تبدیل بالا و پائین. در هر دو رویکرد مذکور، جریان فوتون افزایش می‌یابد. شایان ذکر است که این رویکردها در آزمایشگاه‌های مختلفی پیگیری شده است ولی در این مقاله مورد بحث قرار نگرفته است.
Exciton‌های مضاعف به وسیله‌ی تجهیزات اسپکتروسکوپی شناسائی شده‌اند. اولین روش که برای نمایشی علامت ناشی از تولید Exciton مضاعف به کار برده شده است، اسپکتروسکوپی جذبی گذار (TA) است. آنالیز Exciton مضاعف بر پایه اطلاعات اسپکتروسکوپی جذبی گذار با تحلیل زمانی که به عنوان تابعی از انرژی برانگیخته فوتون است، استوار است. در یک ازمایش، به وسیله‌ای اسپکتروسکوپی جذبی گذار، دینامیک‌های بین لایه‌ها به وسیله‌ی کاوش پالسی به نمایش گذاشته شد. در این آزمایش از برانگیختگی در شکاف لایه کوانتوم دات استفاده شده است در صورتی که در ازمایش دیگری، کاوش پالسی در محدوده مادون قرمز میانی است و حالات گذار درون باندی (1S_e-1P_e) مربوط به Excitonهائی که جدید تشکیل شده‌اند، را به نمایش گذاشته است. در هر دو آزمایش، بازده کوانتومی مربوط به MEG یکسانی به دست آمده است. در آزمایش اولی، ماکزیمم زمان اولیه (۳ پیکو ثانیه) تغییر جذب ناشی از القاء نوری به وسیله‌ی پالاس ضربه‌ای همراه با دینامیک‌های تجزیه اوژر مربوط به Excitonهای مضاعف و همچنین ناشی از سیگنال اسپکتروسکوپی جذبی گذار بعد از اینکه Excitonهای اضافی تفکیک شده بودند (بیشتر از ۳۰۰ پیکو ثانیه)، به تعداد Excitonهای تولید شده مربوط می‌شود.
در آزمایش دومی، دینامیک‌های اسپکتروسکوپی جذبی گذار مربوط به جذب درون باندی مادون قرمز میانی، بعد از برانگیختگی پالسی فوتون به نمایش گذاشته شده و همچنین مورد آنالیز قرار گرفته است.
Schaller و kilmov گزارشی از آزمایش اولی، مذکور در بالا، در مورد نانو کریستال‌های سلنید سرب را ارائه دادند و آستانه انرژی برانگیختگی را برای تشکیل موثر دو Exciton به ازاء هر فوتون در 3E_g، گزارش نمودند. ولی در گزارش ازمایش دوم، استانه انرژی برای MEG در کوانتوم دات هاى سلنید سرب، به میزان 2E_g گزارش شد و نشانگر آنست که MEG موثر و کارآمد نیز در سولفید سرب و کوانتوم دات‌های تلورید سرب (PbTe) به وقوع می‌پیوندد. آزمایش‌های تکمیلی نشان دادند که MEG برای کوانتوم دات‌هائی از قبیل سلنید سرب، سلنید کادمیم، سیلیکون، فسفید ایندیم، تلورید کادمیم و کوانتوم دات‌هائی با ساختار هسته لایه از سلنید کادمیم تلورید کادمیم نیز گزارش شده است. آستانه MEG برای کوانتوم دات‌های فسفید ایندیم، 2.1E_g گزارش شده است و شارژ نوری (Photocharging) (عبارت است از شارژ کوانتوم دات برای MEG) در نمونه‌های کوانتوم‌دات دیده نشده است. برای کوانتوم دات‌های با ساختار هسته-لایه سلنید کادمیم/ تلورید کادمیم، از تکنیک فوتولومینسانس با تحلیل زمانی جهت نمایشی اثرات Excitonهای مضاعف بر روی دینامیک‌های تأخیر PL که بازده کوانتومی MEG را اندازه‌گیری می‌کند، استفاده می‌شود.
محدوده زمانی برای MEG ، کمتر از 100 فمتو ثانیه گزارش شده است این زمان بسیار سریع‌تر از سرعت برگشت Excitonها از حالت برانگیخته به حالت با انرژی کمتر است (قابلی ذکر است که برگشت Excitonها در اثر برهم کنش الکترون-فونون است) و بنابراین برگشت Excitonهای برانگیخته به سرعت انجام شده و کارآئی بالائی پیدا خواهد کرد.
مقادیر بازده کوانتومی گزارشی شده برای ^hv/EgMEG اختلاف نظرهای زیادی را در بین گروه‌های تحقیقاتی آشکار می‌سازد به طور مثال بازده کوانتومی گزارش شده برای کوانتوم دات‌های سلنید سرب در hv ⁄ E_g =4 از ۱۳۰ درصد تا ۳۰۰ درصد متغیر است. بنابراین تعداد کمی از مقالات چاپ شده نتوانستند برخی از نتایج مثبت MEG را تکرار کنند و یا اگر هم نتایجی مشاهده شده است، میزان آن بسیار کمتر است. در یک گزارش ادعا شده است که توانسته‌اند کارائی MEG برابری با یونیزاسیون ضربه‌ای در مواد حجیم را به دست آورند بنابراین بحث و جدال بر روی کارائی MEG در کوانتوم دات‌ها مطرح می‌شود. دلیل این اختلاف‌ها در تاثیر اصلاح سطحی کوانتوم دات‌ها و شیمی سطح آن‌ها بر روی دینامیک‌های MEG در مقایسه با دینامیک‌های حالت برگشت است و در بعضی موارد به اثرات بار الکتریکی سطح که در طول آزمایشات اسپکتروسکوپی گذار (که برای تعیین بازده کوانتومی MEG به کار می‌رود) تولید می‌شوند، نیز بستگی دارد در بعضی موارد دیگر بار الکتریکی با نیمه عمر بالا می‌تواند تریون‌ها (Trions) را در کوانتوم دات‌ها، بعد از جذب یک فوتون اضافی، تولید کند و سپس باعث مغشوش کردن زمان تاخیر جذب گذار یا حذف سیگنال‌های می‌شود. این سیگنال‌ها، علایمی از MEG هستند و براورد اولیه‌ای از بازده کوانتومی MEG را ممکن می‌سازد. تحقیق اخیر نشان می‌دهد که اثرات شارژ همیشه بزرگ نیست و به شیمی سطح ویژه کوانتوم دات‌ها، اثر فوتون، انرژی فوتون و اندازه کوانتوم دات بستگی دارد. در هر مورد، اثرات شارژ نوری می‌تواند در آزمایشات MEG بر پایه اسپکتروسکوپی جذبی با تحلیل زمانی، حذف شود. این کار با ه‌مزدن سوسپانسیون کلوئیدی کوانتوم دات انجام می‌شود. با هم‌زدن، نمونه‌های کوانتوم دات حجم یکنواختی پیدا می‌کند. جهت اطمینان از مقدار بازده کوانتومی MEG، که به وسیله‌ای اسپکتروسکوپی جذبی تعیین می‌شود، امکان انجام شارژ باید بررسی شود. این بررسی‌ها باید بر روی فیلم‌های حالت جامد یا محلول‌های استاتیک انجام شود. ضرورت انجام این آزمایش‌ها، بررسی بی تاثیر بودن اثرات تاخیر بار الکتریکی به دام افتاده بر روی تعیین بازده کوانتومی MEG است.
در بسیاری از گزارش‌ها مربوط به اثرات MEG در کوانتوم دات‌های نیمه‌هادی، MEG در نانولوله‌های کربنی تک دیواره گزارش شده است. از نظر تئوری، MEG باید در نانولوله‌ها نسبت به کوانتوم دات‌ها افزایش پیدا کند. این موضوع در برهم‌کنش‌های قوی ^- e^- e- و در غیاب حالت‌های سطح (اصلاح سطحی و شیمی سطح) در نانولوله‌ها نشان داده شده است. تحقیقات زیادی بر روی Excitonهای موجود در نانوساختارهای مختلف نسبت به کوانتوم دات‌های نیمه‌هادی انجام شده است و به طور کلی تحقیقات تئوری و عملی زیاد و پیشرفته‌ای جهت بررسی عملکرد MEG در نانوساختارهای مختلف مورد انتظار است.

پیکربندی‌های سلول‌های خورشیدی بر پایه کوانتوم دات و شکافت یکتائی
دو روش اصلی جهت افزایش کارآئی تبدیل {ولتاژ نوری افزایش یافته یا جریان نوری افزایش‌یافته} در پیکربندی‌های سلول خورشیدی بر پایه کوانتوم دات وجود دارد. به طور کلی سه پیکربندی برای سلول‌های خورشیدی بر پایه کوانتوم دات وجود دارد که در شکل ۳ نشان داده شده است.
به طور کلی کارآئی بالای پیکربندی‌های ذکر شده در بالا، به صورت تئوری است و تا کنون شواهد ازمایشگاهی کمی مبنی بر اینکه الکترون‌های برانگیخته می‌توانند باعث افزایش ولتاژ نوری در یک سلول فوتوولتائیک شود، وجود دارد. تا کنون تبدیل انرژی افزایش‌‌یافته با کارائی بالا برای سلول‌های خورشیدی فوتوولتائیک گزارش نشده است. علیرغم وجود کارائی بالای MEG در سلول‌های خورشیدی بر پایه کوانتوم دات، ادامه تحقیقات بر روی این موضوع توجیه‌پذیر است.
کارائی افزایش یافته در سلولهای خورشیدی، کوانتوم دات‌ها، نانو کریستالی‌ها، Exciton یا حامل‌های تقویت شده در الکترودهای نوری نیمه‌هادی‌ها می‌توانند باعث افزایش بازده سلول‌های خورشیدی در تولید سوخت‌های خورشیدی شوند. در این نوع کاربردها، اثرات MEG در نیمه‌هادی‌ها می‌توانند در الکترودهای نوری به کار برده شوند و باعث افزایش بازدهی سلول‌های شکافت مستقیم آب شوند. همچنین کوانتوم دات‌ها یا نانو کریستال‌ها با اندازه و اشکال مختلف می‌توانند در سلولهاى دو تائی به هم پیوسته (به صورت پشت سر هم) به کار برده شوند و کارائی تجزیه آب به محصولاتی مانند هیدروژن و دی اکسید کربن را افزایش داده و در نهایت سوخت‌های گازی مانند الکل‌ها و هیدروکربن‌ها را تولید کنند.
شکافت یکتائی، یکی از انالوگ‌های مولکولی از MEG در مولکولی‌ها است که به وسیله‌ی آن یک حالت الکترونی یکتائی برانگیخته مربوط به کروموفورهای مولکولی (عامل‌های رنگی مولکولی)، که پائین‌ترین انرژى حالت الکترونی سه تائی را در میانه راه بین حالت الکترونی پایه یکتائی و اولین حالت الکترونی یکتائی برانگیخته را دارد، دو حالت سه تایی از حالات الکترونی برانگیخته یکتائی را تولید می‌کند. این قبیل کروموفورها می‌توانند در سلول‌های خورشیدی نوین به کار برده شوند و بازده تولید سوخت‌های خورشیدی و سلول‌های فوتوولتائیک را افزایش دهند.

الکترون‌های نوری تشکیل شده از آرایه‌های کوانتوم دات
در این نوع پیکربندی (شکل ۳، انتهای سمت راست) کوانتوم دات‌ها به صورت ارایه سه بعدی شکل گرفته اند. در این آرایش، فاصله کوانتوم دات‌ها بسیار کم است طوریکه کوپلینگ الکترونی اتفاق می‌افتد و باعث انتقال آسان الکترون‌ها می‌شود. اگر کوانتوم دات‌ها دارای اندازه یکسانی بوده و در یک صف آرایش گرفته باشند، این سیستم یک آنالوگ سه‌بعدی و سوپر شبکه است که ساختارهای مینی باند در آن تشکیل می‌شود. حالت‌های سه بعدی کوانتائی شده که تا حدودی غیر مستقر است، می‌تواند MEG را تولید کند. حالت برگشت به سطح انرژی پائین‌تر در حامل‌ها و همچنین الکترون‌های غیر مستقر می‌توانند اجازه انتقال و جمع شدن حامل‌های برانگیخته را صادر کرده و پتانسیل نوری بالائی در سلول‌های فوتوولتائیک یا سلول‌هاى الکتروشیمیائی نوری ایجاد کنند.
 

شکل 3: پیکربندی‌های سلول خورشیدی فتوولتاییک بر پایه کوانتوم دات
 

پیشرفت‌های زیادی در زمینه ساخت آرایه‌ای سه بعدی از کوانتوم دات‌های کلوئیدی، هم بافته‌های II-VI IV-VI و III-V انجام شده است. از طریق فرآیندهای تبخیر، کریستالیزاسیون و یا خودمونتاژی محلول‌های کلوئیدی کوانتوم دات‌ها، دو سیستم تشکیل می‌شود که شامل پخش کوانتوم دات‌های هم سایز است یا از طریق خودمونتاژی در طول فرایند رشد هم بافته از فاز بخار تشکیل می‌شود. فرآیند اولی می‌تواند فیلم‌های کوانتوم دات تنگچین (Close-pack) را تولید کنند که در این ساختار یک اشفتگی و بی نظمی دیده می‌شود. بر طبق فرایند دومی که بیشتر برای نیمه‌هادی‌های III-V به کار برده می‌شود، آرایه‌های کوانتوم دات با ساختار هم بافته تشکیل می‌شود. این ارایه‌ها از بر روی هم قرار گرفتن لایه‌های کوانتوم دات با ساختار هم بافته ساخته می‌شوند. از جمله موضوعات مهم در این زمینه عبارتند از: حالت‌های الکترونی که تابعی از فاصله بین نقاط است، آرایه منظم یا غیر منظم، شکل و جهت‌گیری کوانتوم دات، حالت‌های سطح، ساختار سطح و ناپایدارسازی آن و شیمی سطح، خصوصیات انتقال مربوط به آرایه‌های کوانتوم دات نیز از جمله پارامترهای مهم و بحرانی است.

سلول‌های خورشیدی بر پایه کوانتوم دات حساس شده با نانو کریستال‌های دی اکسید تیتانیوم
این پیکربندی (شکلی ۳، بالا و سمت راست) نوع جدیدی از سلول‌های فوتوولتائیک است که بر پایه لایه‌های نانو کریستال دی اکسید تیتانیوم حساس شده با رنگدانه است. در این نوع از سلول‌های فوتوولتائیک، مولکول‌های رنگدانه بر روی سطح نانو کریستال‌های دی اکسید تیتانیوم (اندازه نانو کریستال برابر ۳۰-۱۰ نانومتر است) جذب شیمیائی می‌شود و سپس زینتر‌شده و به فیلم نانو کریستالی با حفره‌های بالا و ضخامت ۲۰-۱۰ میکرومتر تبدیل می‌شود. بر اساس برانگیختگی مولکول‌های رنگ‌دانه، الکترون‌ها از حالت برانگیخته به لایه رسانائی دی اکسید تیتانیوم جهش می‌کنند و سپس جدائی بار الکتریکی و اثرات فوتوولتائیک حاصل می‌شود.
برای سلول‌های کوانتوم دات حساس شده، کوانتوم دات‌ها با مولکول‌های رنگدانه عجین شده است، رنگدانه‌ها می‌توانند از محلول کلوئیدی کوانتوم دات‌ها یا این که به صورت فرآیند در جا یا Insitu جذب شوند. اثرات کارامد فوتوولتائیک در این نوع سلول‌ها برای برخی از کوانتوم دات‌های نیمه‌هادی از قبیل فسفید ایندیوم، سلنید کادمیوم، سولفید کادمیوم و سولفید سرب گزارش شده است. از جمله فواید کوانتوم دات‌های حاوی مولکول‌های رنگدانه می‌توان به قابلیت تعدیل ویژگی‌های نوری با اندازه، تقویت Excitonهای با حفره‌های ثابت اشاره کرد. همچنین از جمله قابلیت‌های سلول‌های خورشیدی با ساختار کوانتوم دات‌های حساسی شده، ایجاد بازده کوانتومی بزرگ‌تر از یک، به وسیله‌ی MEG است.

کوانتوم دات‌های پخش شده در نیمه‌هادی‌های آلی با ماتریس پلیمری
اخیرا نیمه‌هادی‌های پلیمری که با کوانتوم دات‌ها نیز اتصال پیدا کرده‌اند، گزارش شده است. در یک پیکربندی، آرایه‌ای نامنظم از کوانتوم دات‌های سلنید کادمیوم در یک پلیمر نیمه‌هادی با نام پلی {۲-متوکسی-۵(۲-اتیل) هگزیا آکسی پارا فنیلن وینیلین} یا MEH-PPV تشکیل شده است. برانگیختگی نوری کوانتوم دات‌ها باعث به وجود آمدن حفره هائی در فاز پلیمری MEH-PPV می‌شود و از طریق یک تماسی الکتریکی وارد فاز پلیمری می‌شود. الکترون‌ها در کوانتوم دات‌های سلنید کادمیوم باقی می‌مانند و از طریق نفوذ و تراوش در فاز نانو کریستالی جمع می‌شوند. نتایج اولیه نشان می‌دهد که کارائی تبدیل پائین است اما با به کارگیری کوانتوم دات‌های میله‌ای سلنید کادمیوم، که در پلی (۳- هگزیل تیوفن) تعبیه شده است (شکلی میله‌ای، انتقال الکترون را از طریق فاز کوانتوم دات نانو کریستالی تسریع می‌بخشد) بهبودهائی حاصل شد. اخیراً پلیمرهای جدیدتری (PCDTBT Konarka) معرفی شده است که این پلیمرها خواص الکتریکی بهتری را نشان می‌دهند (31/3 درصد، تأیید شده به وسیله‌ی آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدید شدنی). در پیکربندی دیگری، یک لایه پلی کریستالی از دی اکسید تیتانیوم به عنوان فاز رسانای الکترون استفاده شده است و همچنین پلیمر MEH-PPV نیز برای رسانا کردن حفره‌ها به کار برده می‌شود. بر اثر برانگیختگی نوری کوانتوم دات‌ها، الکترون و حفره‌ها به داخل محیط انتقال وارد می‌شوند. یکی از تفاوت‌های موجود در سایه پیکربندی ذکر شده، پراکندگی کوانتوم دات‌ها در داخل مخلوط الکترون و پلیمرهای رسانای دارای حفره است (شکلی ۳، انتهای سمت چپ). این برنامه برعکس ساختارهای دیود نشری بر پایه کوانتوم دات‌ها است. هر کدام از پلیمرهای حاملی در سلول فوتوولتائیک، اتصال الکتریکی انتخابی خواهند داشت تا حامل‌های بار الکتریکی را حمل کنند. یکی از پارامترهای بحرانی در این زمینه، جلوگیری از ترکیب مجدد الکترون - حفره در سطح بین دو پلیمر است. این پارامتر در دیگر پیکربندی‌های کوانتوم دات نیز حائز اهمیت است.
همه پیکربندی‌های مذکور برای سلول‌های خورشیدی بر پایه کوانتوم دات، در آزمایشگاه‌های مختلفـــی مورد برردسی قرار گرفته‌اند. اگرچه تاکنون کارائی‌های بالا و قابل اطمینانی از MEG که شامل بازده کوانتومی جریان نوری معادل ۱۶۰ درصد در Eg3.2 در یک سلول الکتروشیمیائی نوری (بازده کوانتومی برای انعکاسی و جاذب الکترولیت، غیر صحیح بوده و بازده کوانتومی که قبل از استانه انرژی MEG تعیین شده است، ۲ برابر غیر صحیح است) و همچنین کوانتوم دات‌هائی که به تک کریستالی‌های دی اکسید تیتانیوم متصل شده‌اند، گزارش شده است ولی سلولی فوتوولتائیک بر پایه کوانتوم داتی که کارآئی تبدیل افزایش یافته ان به دلیل اثرات MEG باشد، گزارش نشده است. تجمع الکترون‌ها در حفره‌های ناشی از فرآیند نوری، قبل از اینکه متحمل تجزیه Excitonهای مضاعف در فرایند اوژر شوند، را می‌توان یکی از دلایل پائین بودن بازده کوانتومی ذکر کرد. Excitonهای مضاعف ناشی از فرآیند ترکیب مجدد اوژر، در ۱۰۰-۲۰ پیکوثانیه اتفاق می‌افتد. تحقیقات بیشتری نیاز است تا دینامیک‌های تفکیک بار الکتریکی را در پیکربندی‌های مختلف سلول خورشیدی بر پایه کوانتوم دات را توضیح دهد.

---

منابـــع و مراجــــع

---

۱ - Arthur J. Nozik, American Chemical Society, Nano Lett. 2010, 10, 2735–2741