نگاهی نو بر استفاده از نانو‌مواد و بیو نانومواد در ساخت سلول‌های خورشیدی و تأثیر آن بر بازده آنها

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسندگان

1 دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

2 استاد گروه آموزشی مهندسی بیوسیستم، دانشکده کشاورزی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده
با افزایش روزافزون تقاضا بر میزان انرژی، نرخ عرضه آن در آینده نزدیک کاهش می‌یابد. ازآنجایی‌که ذخایر سوخت‌های فسیلی به‌سرعت در حال کاهش است، راندمان پایین تبدیل انرژی و بازیافت آن‌ها، فن آوری‌های پیچیده ساخت و هزینه بالای سلول‌های خورشیدی به محدودکننده‌ترین پارامتر سلول‌های خورشیدی است. نانو‌تکنولوژی پیشرفت‌های شگرفی را در سبک زندگی انسان به ارمغان آورده است که می‌توانیم از نانوتکنولوژی برای اهداف انرژی سبز و ساخت سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر استفاده کنیم. این روزها مواد بیو نانو (نانو زیستی) وسعت بیشتری از نانوتکنولوژی را دربرگرفته و تأثیرات باورنکردنی خود را در کاهش چالش‌های مخاطره‌آمیز مختلف کوتاه‌مدت و بلندمدت شکوفا می‌کند. از دلایلی که انرژی خورشیدی را بسیار محبوب کرده مقرون‌به‌صرفه بودن، تعمیر و نگهداری کم و قابلیت اطمینان منبع انرژی است. مواد طبیعی مقرون‌به‌صرفه و سازگار با محیط‌زیست جایگزین بسیاری از مواد شیمیایی مورداستفاده در سلول‌های خورشیدی به‌عنوان برداشت‌کننده نور خورشیدی شده است. علاوه بر این، مواد بیولوژیکی هیبرید شده در سلول‌های خورشیدی نیمه‌هادی قادر به ارائه بازدهی بالا هستند. بیو نانوموادهای مختلفی مانند نانو سلولز، پروتئین‌های باکتری رودوپسین، مواد زیستی پیزوالکتریک و ترموالکتریک آلی به‌عنوان مواد سلول خورشیدی نسل جدید در حال بررسی هستند. سلول‌های خورشیدی حساس شده با مولکول‌های زیستی نیز به‌عنوان مولدهای برق فتوولتائیک مقرون‌به‌صرفه محبوب شده‌ و مشکل بازیافت آن‌ها را مرتفع می‌کند. دلیل اصلی در استفاده از مواد گیاهی در سلول‌های خورشیدی، نیاز به جایگزینی اجزای گران‌قیمت، انرژی بر، کمیاب و یا تجدیدناپذیر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

- مراجع
[1]      E. Serrano, G. Rus, J. García-Martínez, Nanotechnology for sustainable energy, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 13, No. 9, pp. 2373–2384, 2009.
[2]      Z. Abdin, M. A. Alim, R. Saidur, M. R. Islam, W. Rashmi, S. Mekhilef, A. Wadi, Solar energy harvesting with the application of nanotechnology, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 26, No. 2, pp. 837–852, 2013.
[3]      K. T. Miettunen, E. D. Cranston, J. M. Moran-Mirabal, J. Vapaavuori, Cellulose nanocrystal aerogels as electrolyte scaffolds for glass and plastic dye-sensitized solar cells, ACS Applied Energy Materials, Vol. 2, No. 8, pp. 5635–5642, 2023.
[4]      H. Khodkam, R. Pourdarbani, H. Ghaebi, M. Hernandez-Hernandez, Investigating the environmental impacts of different approaches of agricultural waste management using AHP technique, Acta Technologica Agriculturae, Vol. 27, No. 4, pp. 242-250, 2024.
[5]      E. Bagheri, H. Khodkam, Smart Farming: How Drones Are Transforming the Future of Food Production?, Biosystems Engineering and Sustainable Technologies, Vol. 1, No. 1, pp.  49-67, 2025
[6]      H. Khodkam, R. Pourdarbani, J. L. Hernandez-hernandez, Selection of the Most Appropriate Vehicles with the Aim of Decarbonising the Transportation Sector Using AHP, Acta Technologica Agriculturae, Vol. 28, No. 2, pp. 63-70, 2025.
[7]      A. Ghorbani, T. Mesri Gundoshmian, H. Khodkam, H. Ghaebi, Comparison of vehicles with biofuel, electric, fuel cell and solar energy for decarbonization of the transportation sector, Journal of Renewable and New Energy, Vol. 12, No. 1, pp. 200-208, 2025.
[8]      Y. Qiao, S. Li, W. Liu, M. Ran, H. Lu, Y. Yang, Recent advances of rareearth ion doped luminescent nanomaterials in perovskite solar cells, Nanomaterials, Vol. 8, No. 1, pp.1-11, 2018.
[9]      M. M. A. Khan, N. I. Ibrahim, I. M. Mahbubul, H. M. Ali, R. Saidur, F. A. Al-Sulaiman, Evaluation of solar collector designs with integrated latent heat thermal energy storage, Energy, Vol. 166, No. 1, pp. 334–350, 2018.
[10]   X. Li, S. Aftab, A. Abbas, S. Hussain, M. Aslam, F. Kabir, H.S. Abd-Rabboh, H.H. Hegazy, F. Xu, M.Z. Ansari, Advances in mixed 2D and 3D perovskite heterostructure solar cells: a comprehensive review, Nano Energy, Vol, 118 No. 1, pp. 108979-108989, 2023.
[11]    P. Zhang, M. Li, W.C. Chen, A perspective on perovskite solar cells: emergence, progress, and commercialization, Front Chem, Vol. 10, No. 1, pp. 802890-802899, 2022.
[12]   T. C. Selema, T. D. Malevu, M. R. Mhlongo, S. V. Motloung, T. E. Motaung, Advancements in black titanium dioxide nanomaterials for solar cells: a comprehensive review, Emergent Materials, Vol. 7, No. 6, pp. 2163-2188, 2024.
[13]   H. Khodkam, A review of the effective factors involved in the production of biogas from biomass waste, Biosystems Engineering and Renewable Energies, Vol. 1, No. 1, pp. 51-58, 2025.
[14]   M. M. Olaimat, L. Yousefi, O. M. Ramahi, Using plasmonics and nanoparticles to enhance the efficiency of solar cells: review of latest technologies, Journal of the Optical Society of America B, Vol. 38 No. 2, pp. 638-651, 2021.
[15]   T. C. Selema, T. D. Malevu, M. R. Mhlongo, S. V. Motloung, T. E. Motaung, Advancements in black titanium dioxide nanomaterials for solar cells: a comprehensive review, Emergent Materials, Vol. 7, No. 6, pp. 2163-2188, 2024.
[16]   T. C. Selema, T. D. Malevu, M. R. Mhlongo, S. V. Motloung, T. E. Motaung, Advancements in black titanium dioxide nanomaterials for solar cells: a comprehensive review, Emergent Materials, Vol. 7, No. 6, pp. 2163-2188, 2024.
[17]   J. Wang, Z. Wang, W. Wang, Y. Wang, X. Hu, J. Liu, J. Tang, Synthesis, modification and application of titanium dioxide nanoparticles: a review, Nanoscale, Vol. 14, No. 18, pp. 6709-6734, 2022.
[18]    L. Ye, S. Zhang, W. Ma, From Binary to Ternary Solvent: Morphology Fine‐tuning of D/A Blends in PDPP3T‐based Polymer Solar Cells, Advanced Materials, Vol. 24, No. 47, pp. 6335-6341, 2012.
[19]   S. Roy, G. G. Botte, Perovskite solar cell for photocatalytic water splitting with a TiO2/Co-doped hematite electron transport bilayer, RSC Advances, Vol. 8, No. 10, pp. 5388-5394, 2018.
[20]   W. Zhao, C. Dall’Agnese, S. Duan, Trilayer Chlorophyll-Based Cascade Biosolar Cells, ACS Energy Letters, Vol. 4, No. 2, pp. 384-389, 2019.
[21]   A. Kuang, T. Zhou, G. Wang, Y. Li, G. Wu, H. Yuan, X. Yang, Dehydrogenation of ammonia borane catalyzed by pristine and defective h-bn sheets, Applied Surface Science, Vol. 362, No. 1, pp. 562–571, 2016.
[22]   F. Ghasemzadeh, S. M. Esmaeili, Nanotechnology in the service of solar energy systems, Nanotechnology and the Environment, Vol. 1, No. 1, pp. 1–15, 2020.
[23]   J. W. P. Hsu, M. T. Lloyd, Organic/Inorganic hybrids for solar energy generation, MRS Bulletin, Vol. 35, No. 6, pp. 422–428, 2010.
[24]   C. C. Raj, R. A. Prasanth, critical review of recent developments in nanomaterials for photoelectrodes in dye sensitized solar cells, J Power Sources, Vol. 317, No. 1, pp. 120–132, 2016.
[25]   T. S. Kumaran, A. Prakasam P. Vennila, New carbazole-based organic dyes with various acceptors for dye-sensitized solar cells: synthesis, characterization, DSSCs fabrications and DFT study, Asian J Chem, Vol. 33, No. 1, pp. 1541–1550, 2021.
[26]   E. Figgemeier, A. Hagfeldt, Are dye-sensitized nano-structured solar cells stable? An overview of device testing and compo ‌ nent analyses, Int J Photoenergy, Vol. 6, No. 1, pp. 127–140, 2004.
[27]   J. Y. Kim, J. W. Lee, H. S. Jung, H. Shin, N. G. Park, High-efficiency perovskite solar cells. Chemical reviews, Vol. 120, No. 15, pp. 7867-7918, 2020.
[28]   A. Venkateswararao, J. K. Ho, S. K. So, Device characteristics and material developments of indoor photovoltaic devices, Mater Sci Eng R Rep, Vol. 139, No. 1, pp.100517-100528, 2019.
[29]   G. Boschloo, Improving the performance of dye-sensitized solar cells, Front Chem, Vol. 7, No. 1, pp. 77-88, 2019.
[30]   A. W. M. V. Ekanayake, G. R. A. Kumara, R. M. G. Rajapaksa, A. Pallegedara, Increasing the efficiency of a dye-sensitized solid-state solar cell by iodine elimination process in hole conductor material, In International Conference on Sustainable Built Environment, Vol. 22, No. 1, pp. 282-287, 2018.
[31]   Z. Pan, H. Rao, I. Mora-Seró, J. Bisquert, X. Zhong, Quantum dot-sensitized solar cells, Chemical Society Reviews, Vol. 47, No. 20, pp. 7659–7702, 2018.
[32]   A. Sahu, A. Garg, A. Dixit, A review on quantum dot sensitized solar cells: Past, present, and future towards carrier multiplication with a possibility for higher efficiency, Solar Energy, Vol. 203, No. 1, pp. 210–239, 2010.
[33]   A. Farokhi, H. Shahroosvand, F. Zisti, M. Pilkington, M. K. Nazeeruddin, Influence of triphenylamine derivatives in efficient dye-sensitized/organic solar cells, Journal of Materials Chemistry A, Vol. 11, No. 46, pp. 25136-25215, 2023.
[34]   B. Kippelen, J. L. Brédas, Organic photovoltaics, Energy and Environmental Science, Vol. 2, No. 3, pp. 251–261, 2009.
[35]   S. N. Tamilselvan, S. Shanmugan, Towards sustainable solar cells: unveiling the latest developments in bio-nano materials for enhanced DSSC efficiency, Clean Energy, Vol. 8, No. 3, pp. 238–257, 2024.
[36]   G. Jacucci, L. Schertel, Y. Zhang, H. Yang, S. Vignolini, Light management with natural materials: From whiteness to transparency, Advanced Materials, Vol. 33, No. 28, pp. 2001215-2001224, 2021.
[37]   P. Dias, S. Javimczik, M. Benevit, H. Veit, A. M. Bernardes, Recycling WEEE: Extraction and concentration of silver from waste crystalline silicon photovoltaic modules, Waste Management, Vol. 57, No. 1, pp. 220–225, 2016.
[38]   K. Miettunen, A. Santasalo-Aarnio, Eco-design for dye solar cells: From hazardous waste to profitable recovery, Journal of Cleaner Production, Vol. 320, No. 1, pp.128743, 2021.
[39]   E. S. Akulenko, M. Hadadian, A. Santasalo-Aarnio, K. Miettunen, Eco-design for perovskite solar cells to address future waste challenges and recover valuable materials, Heliyon, Vol. 9, No. 2, pp. 13584-13597, 2023.
[40]   J. J. Kaschuk, Y. Al Haj, O. J. Rojas, K. Miettunen, T. Abitbol, J. Vapaavuori, Plant-based structures as an opportunity to engineer optical functions in next-generation light management, Advanced Materials, Vol. 34, No. 6, pp. 2104473- 2104483, 2022.
[41]   K. Miettunen, A. Santasalo-Aarnio, Eco-design for dye solar cells: From hazardous waste to profitable recovery, Journal of Cleaner Production, Vol. 320, No. 1, pp. 128743-128756, 2021.
[42]   I. Celik, R. Hosseinian Ahangharnejhad, Z. Song, M. Heben, D. Apul, Emerging photovoltaic (PV) materials for a low carbon economy, Energies, Vol. 13, No. 16, pp. 4131-4141, 2020.
[43]   E. Solomon, New solar cell is more efficient, costs less than its counterparts, MIT News Office, Vol. 2, No. 6, pp. 1–4, 2016.
[44]   E. Kabir, P. Kumar, S. Kumar, A. A. Adelodun, K. H. Kim, Solar energy: Potential and future prospects, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 82, No. 1, pp. 894–900, 2018.
[45]   D. Shi, Y. Cao, N. Pootrakulchote, Z. Yi, M. Xu, S. M. Zakeeruddin, P. Wang, New organic sensitizer for stable dye-sensitized solar cells with solvent-free ionic liquid electrolytes, Journal of Physical Chemistry C, Vol. 112, No. 44, pp. 17478–17485, 2008.
[46]   S. J. Alsultany, A. A. Mohaimeed, Role of Nanoparticles Synthesized from Bacteria as Antimicroorganism: A Review, Journal of Nanotechnology, Vol. 5, No. 1, pp. 44-53, 2021.
[47]   Y. Rong, Z. Ku, A. Mei, T. Liu, M. Xu, S. Ko, H. Han, Hole-conductor-free mesoscopic TiO2/CH3NH3PbI3 heterojunction solar cells based on anatase nanosheets and carbon counter electrodes, The journal of physical chemistry letters, Vol. 5, No. 12, pp. 2160-2164, 2014.
[48]   K. Miettunen, M. Hadadian, J. V. García, A. Lawrynowicz, E. Akulenko, O. J. Rojas, M. Hummel, J.  Vapaavuori, Bio-based materials for solar cells, WIREs Energy and Environment, Vol. 13, No. 1, pp. 508-519, 2024. 
[49]   S. Agarwal, Biodegradable polymers: Present opportunities and challenges in providing a microplastic‐free environment, Macromolecular Chemistry and Physics, Vol. 221, No. 6, pp. 200-217, 2020.
دوره 13، شماره 1 - شماره پیاپی 25
اردیبهشت 1405
صفحه 164-172

  • تاریخ دریافت 06 آبان 1403
  • تاریخ بازنگری 24 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 13 شهریور 1404