در این مقاله درباره کاربرد نانوفناوری در باتری‌های یون لیتیومی بحث می‌شود اما این مطالب گفته شده برای دیگر باتری‌ها نظیر سدیم یونی و منیزیوم یونی نیز قابل تعمیم است. این مقاله، کاربردهای فناوری نانو را به صورت دسته‌بندی شده بیان می‌کند و کاربردهای نانو در اجزای باتری در مقالات دیگر خواهد آمد. در این مقاله مزایای نانوابعاد کردن در افزایش توان و ظرفیت و معایب آن همچون کاهش چگالی انرژی حجمی بیان می‌شود. راه حل ایرادات، با نانوفناوری مثل نانوپوشش‌ها و نانوساختارهای مهندسی شده اشاره می‌شود.
پلیمرهای مزدوج (Conjugated Polymers) اخیرا به‌دلیل قابلیت‌های کاربردیشان در ابزارهای الکترونیکی انعطاف‌پذیر از قبیل دیودهای نشر نور (LEDs)، سلول‌های خورشیدی پلیمری و ترانزیستورهای لایه نازک آلی و همچنین فراوری در محلول و قیمت ارزان آنها مورد توجه ویژه قرارگرفته‌اند. ضخامت لایه فعال در سلول‌های خورشیدی آلی پلیمری 100nm می‌باشد که این مقدار تقریبا 1000 مرتبه نازک‌تر از سلول‌های خورشیدی سیلیکون کریستالی و 10 مرتبه نازک‌تر از فیلم‌های معدنی است. با این‌حال این نوع از سلول‌های خورشیدی در مقایسه با سلول‌های معدنی کارایی 2 تا 3 مرتبه کمتری را دارا می‌باشد. به همین دلیل، جهت افزایش و بهبود قابلیت این سلول‌های پلیمری تاکنون مواد نیمه‌هادی بسیاری تهیه شده‌اند اما دانشمندان برای ساخت ماده ایده‌آل در این زمینه تلاش گسترده‌ای را دنبال می‌کنند.
امروزه سلول‌های خورشیدی سیلیکونی، از پرکاربردترین قطعات حالت جامد هستند. سیلیکون نیمه‌رسانایی با گاف نواری eV 1/7-1/1 (مناسب برای جذب نور خورشید) می‌باشد. جفت‌های الکترون- حفره در اثر تابش نور خورشید در نیمه‌رسانا تولید می‌شوند. این حامل‌های بار متحرک می‌توانند جریان الکتریکی تولید کنند. تولید ولتاژ الکتریکی به یک گاف انرژی بین ترازهای انرژی الکترونی نیاز دارد. اما چگونه می‌توان با استفاده از گاف انرژی، ولتاژ تولید کرد؟ برای این منظور، به یک پیوند p-n نیاز است. ساختار سلول‌های سیلیکونی، از یک فیلم نازک نوع n (ضخامتی در حدود یک یا چند میکرومتر) بر روی یک فیلم نوع p که ضخامت بیشتری دارد، تشکیل می‌شود. جفت‌های الکترون- حفره تولید شده بوسیله نور خورشید در فصل مشترک این دو ناحیه پخش می‌شوند، جایی که میدان الکتریکی داخلی موجب جدایی بار می‌شود. در سلول‌های خورشیدی پیوند n-p بحث درباره تولید و بازترکیب حامل‌ها، که بسته به ولتاژ اعمال شده بر روی پیوند در گاف ممنوعه انرژی نیمه‌رسانا رخ می‌دهد، ضروری به نظر می‌رسد.
در حال حاضر، باتری یون لیتیوم بدلیل مشخصات عالی، برجسته‌ترین باتری از جنبه کاربرد و تحقیق و توسعه است. در این مقاله باتری یون لیتیومی معرفی و مزایای آن و مکانیزم عملکرد آن شرح داده می‌شود. ارتباط ویژگی‌های بیرونی با واکنش‌ها و انتقال‌های میکروسکوپی، و مشکل رشد دندریتی برای باتری یون لیتیومی بیان می‌شود. به‌علاوه این مقاله واکنش‌های دقیق و آنچه در شارژ و دشارژ اتفاق می‌افتد را بیان می‌کند.
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.
توسعه وسایل الکترونیکی مانند گوشی‌های تلفن همراه و لب تاپ‌ها تقاضا را برای باتری‌های قابل شارژ افزایش داده است که در این میان باتری‌های لیتیم-یون از دیگر انواع باتری‌ها عملکرد و بازده مناسب‌تری را از خود نشان داده و بیشترین تولید را در میان دیگر انواع باتری‌ها دارند. این باتری‌ها مانند انواع دیگر باتری‌ها از پیل‌های الکتروشیمیایی با دو الکترود و ماده الکترولیت تشکیل شده‌اند. در فرایند شارژ باتری‌های لیتیمی، در الکترود مثبت لیتیم به یون لیتیم مثبت و در الکترود منفی یون لیتیم به لیتیم فلزی تبدیل شده و در بین لایه‌های الکترود قرار می‌گیرد. تحقیقات زیادی در جهت توسعه هر یک از الکترودها و الکترولیت در باتری‌های لیتیم یون صورت گرفته است و با ورود نانومواد در این تحقیقات تحولات شگرفی در عملکرد این نوع باتری‌ها به وجود آمده است. این سیر تکاملی با ساخت نانومواد جدید همچنان ادامه دارد. در این مقاله تلاش شده با زبانی ساده این نوع باتری‌ها معرفی شده و مختصری در مورد استفاده از نانومواد در آنها توضیح داده شده است.
به‌دلیل اهمیت شناخت خواص نیمه‌رساناها برای درک نحوه عملکرد سلول‌های خورشیدی و راه‌های بهبود عملکرد و افزایش بازده تبدیل سلول‌ها، در این مقاله بحث گذشته درباره خواص نیمه‌رساناها را ادامه می‌دهیم. به‌منظور بوجود آوردن نیروی الکتریکی، یک سلول خورشیدی نیاز به تولید جریان و ولتاژ دارد. تولید جریان نیازمند حامل‌های بار متحرک است و تولید ولتاژ به یک گاف بین ترازهای انرژی الکترونی نیاز دارد. فلزات حامل بار آزاد و عایق‌ها گاف نواری بین ترازهای انرژی الکترونی دارند، اما نیمه‌رساناها هر دو خصوصیت را باهم دارند. اکنون می‌توان به این سؤال پاسخ داد که چرا برای ساخت سلول خورشیدی به نیمه‌رساناها نیاز داریم. برای افزایش بازده تبدیل سلول، بایستی تفکیک مؤثر بار صورت گیرد، که وابسته به عواملی مانند طول پخش الکترون‌ها و حفره‌ها می‌باشد. برای یک سلول خورشیدی فرآیندهای تولید الکترون‌ها و حفره‌ها و بازترکیب آنها از بیشترین اهمیت برخوردار است، از این‌رو آنها را مورد بررسی قرار می‌دهیم.
رشد مصرف جهانی انرژی در قرن اخیر و همراه با آن افزایش انتشار گازهای گلخانه‌ای، با آلودگی بیش از پیش محیط زیست و خسارات جبران‌ناپذیر برای منابع حیاتی همراه بوده است. به منظور کاهش اتکا جهانی به منابع طبیعی پایان‌پذیر و سوختهای مخرب محیط زیست، تلاش‌های علمی فراوانی برای کاهش هزینه‌های تولید انرژی از منابع تجدیدپذیر صورت گرفته است. از جمله، تلاش برای تولید انرژی الکتریکی با استفاده از نور خورشید، که با استفاده از خاصیت ذاتی نیمه رساناها انجام شده است. نخستین سلول‌های خورشیدی بر پایه نیمه‌رساناها، که بازده آنها به بیش از %10 می‌رسید در سال‌های 1960-1950 ساخته شدند. هم اکنون %90-85 قطعات فوتوولتایی خورشیدی در سراسر جهان بر پایه قرص‌های نازک بلوری سیلیکون ساخته می‌شوند. امروزه استفاده از نیمه‌رساناها تحول عظیمی در صنایع اپتیکی و الکترونیکی بوجود آورده است. بررسی خواص اساسی نیمه‌رساناها مانند ساختار نواری و نیز توضیح پدیده‌هایی مانند اثر فوتوولتایی از اهداف این مقاله است.
مواد از نظر خواص هدایت الکتریکی، به سه دسته رسانا، نیمه‌رسانا و نارسانا تقسیم‌بندی می‌شوند. در سلول‌های خورشیدی، ما نیاز به استفاده از مواد نیمه‌رسانا داریم. مواد نیمه‌رسانا موادی هستند که گاف انرژی آنها کمتر از گاف انرژی مواد نارسانا است. بنابراین اگر بتوان انرژی مورد نیاز را برای الکترون‌ها تأمین کرد، الکترون‌ها می‌توانند از سد انرژی ناشی از گاف عبور کرده و به تراز هدایت بروند. در مواد رسانا، عملاً این گاف انرژی وجود ندارد و الکترون‌ها به‌راحتی می‌توانند وارد تراز بالایی شده و در رسانش ماده همکاری کنند. اکنون سؤال این است که چرا برای تولید جریان الکتریکی فقط مواد نیمه‌رسانا قابل استفاده هستند؟
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1-نور خورشید و کاربردهای آن
2- مشکلات و ویژگی‌های استفاده از انرژی خورشیدی
