کاربردهای فناوری نانو در مباحث الکتریکی شامل ترمو الکتریسیته، یخچالهای حالت جامد، برق سیار، ابر خازن، باتری قابل شارژ و افزایش راندمان سل خورشیدی است.

ترموالكتريسيته

ترموالكتريسيته عبارتست از تبديل گرما به الكتريسيته و برعكس. ترموالکتريسيته بر اساس تماس دو ماده‌ رساناي الكتريسيته متفاوت است كه گرما را با سرعت‌هاي متفاوتي در دو اتصال (ترموكوپل) در يك حلقه بسته هدايت مي‌كنند. اعمال گرما در يك اتصال در حالي كه اتصال ديگر را خنك نگه داشته‌ايم، در داخل حلقه گرمايي جريان الكتريسيته به وجود مي‌آورد. ماده ترموالكتريكي ماده‌اي است كه قادر به تبديل گرما به انرژي الكتريكي و انرژي الكتريكي به گرما مي‌باشد.

با به هم پيوستن بسياري از اين حلقه‌ها يک پيل حرارتي توليد مي شود كه مي‌تواند در وسايل برقي مانند راديو و ساعت مورد استفاده قرار بگيرد. در مقابل اگر الكتريسيته از حلقه عبور كند پس از آن اتصال‌ها گرم يا سرد خواهند شد. اين خصوصيت مي‌تواند در يخچال‌ها و بخاري‌ها مورد استفاده قرار گيرد. هم فلزات و هم نيمه رسانا‌ها مي‌توانند براي ايجاد اين اثر مورد استفاده قرار بگيرد. ژنراتورهاي ترموالكتريكي مزايايي افزون بر ژنراتورهايي دارند که از مواد ديگر استفاده مي کنند. آن‌ها كوچك‌ترند و هيچ قسمت مكانيكي كه با گذشت زمان احتمالاً از كار بيفتد يا خراب شود، ندارند.

يخچال‌هاي حالت جامد

لوازم ترموالكتريكي تقريباً يك قرن است كه مورد استفاده قرار مي‌گيرند، با اين حال، كارايي (بازده) آن‌ها بسيار ضعيف است. براي مثال يخچال‌هاي حالت جامد كه در سال‌هاي اخير در بازار يافت مي‌شوند (برعكس ژنراتورهاي ترموالكتريكي هستند و از الكتريسيته براي خنك كردن محتويات و يا اگر قطبيت برعكس شده باشد براي گرم كردن محتويات استفاده مي‌كنند) بازدهي در حدود 25% يخچال‌هاي معمولي دارند. به تازگي به علل اين فقدان بازده پي برده اند. نانو مواد خاصي به وجود آمده‌اند كه بازدهي سه تا چهار برابر بيشتر از بهترين نيمه رساناهاي قبلي را دارند. علت ساختار نانويي اين مواد است كه انتقال گرما را کند مي کند، در حالي كه هم چنان به الكترون‌ها اجازه حركت آزادانه مي‌دهد. با تركيب چندين ترموكوپل‌ با مواد نانو ساختار، ترموپيل‌هايي گرمايي که قادر به توليد مقادير قابل قبولي الكتريسيته اند مي‌توان ساخت.

در آينده پيش‌بيني مي‌شود كه چنين ترموپيل‌هايي بتوانند گرماي زائد حاصل از موتورهاي وسايل نقليه و اگزوزها را به الكتريسيته تبديل كنند و نياز به دينام (ژنراتور متناوب) براي به كار انداختن قطعات الكتريكي و شارژ كردن باتري را برطرف كنند. آن‌ها هم‌چنين در به كار انداختن حسگرها و وسايل كوچك مانند ساعت‌هاي مچي از طريق گرماي بدن انسان كاربرد دا

كاربردهاي جديد

وسايل ترموالكتريكي صرف نظر از توليد انرژي، كاربردهاي مفيد ديگري نيز دارند. در حقيقت اولين كاربرد تجاري مواد ترموالكتريكي با ساختار نانو در صنعت كامپيوتر براي خنك كردن ريزپردازنده‌هاست. بازار خريد و فروش براي مديريت گرمايي در صنعت الكترونيك بسيار بزرگ است که چيزي حدود 3.3 ميليارد دلار تخمين زده شده است و انتظار مي‌رود سالانه حدود 12 درصد رشد كند و در سال 2008 به 6 ميليارد دلار برسد. ريزپردازنده‌هاي معمولي توسط خنك‌كننده‌هاي مكانيكي خنك نگه داشته مي‌شوند (در محدوده‌ دماهاي كاربرديشان)، با اين حال تعداد و تراكم فزاينده‌ ترانزيستورها برروي قطعات كامپيوتري قدرتمندتر، موفقيت در استفاده از خنك‌كننده‌هاي مکانيکي را تقريباً غيرممكن ساخته است. مواد ترموالکتريکي ريزساختار مي توانند براي خنک کردن اجزاي پردازنده استفاده شوند

از سوي ديگر مواد ترموالكتريكي ريزساختار مي‌توانند در خنك كردن چنين قطعاتي تنها با به‌كارگيري، به‌عنوان ريزقطره‌ها مؤثر باشند. در اين مورد يك طرف ريزقطره‌ گرما را جذب مي‌كند كه سپس از طرف ديگر از ترموكوپل‌ها خارج مي‌شود. يک وسيله ترموالكتريكي فراشبكه اي مستقيماً برروي قطعه‌ سيليسيم گنجانده شده است.

برق سيار

امروزه لوازم سيارتقريباً در بسياري از جوامع پيش پا افتاده هستند. از محصولات مصرف كننده مانند موبايل و پخش کننده هايMP3 گرفته تا تجهيزات مربوط به پزشكي و حسگرهاي محيطي و شيميايي، همگي از جمله اين محصولات هستند. در تمام موارد افزايش عملكرد، اندازه كوچكتر و طول عمر طولاني‌تر مطلوب است. اين بهبود مي تواند شامل اصلاحاتي در سيستم هاي فعلي از جمله باتري‌هاي قابل شارژ براي تأمين برق و انرژي بيشتر باشد.

ابرخازن‌ها

خازن‌ها برخلاف باتري‌ها كه انرژي را به صورت شيميايي ذخيره مي‌‌كنند، انرژي را به صورت بار الكتريكي ذخيره مي‌كنند. مزيت آنها از دست ندادن برق در حين ذخيره‌سازي و قادر بودن به انتقال برق و شارژ شدن مجدد با سرعت بالا مي‌باشد. بااين حال آن‌ها قدرت ذخيره‌سازي محدودي دارند و در واقع فقط براي انتقالات الکترونيکي كوتاه مناسب هستند. ابرخازن‌ها مزيت‌ خازن‌ها و باتري‌هاي قابل شارژ را با هم تركيب كرده‌اند و مي توانند مقادير زيادي انرژي را ذخيره‌ کنند. انرژی جنبشی خودرو معمولاً در هنگام ترمز یا کاهش سرعت از بین می رود و اتلاف می شود. متخصصان خودرو در ماشینهای جدید قسمت دیگری برای استفاده و ذخیره این انرژی اضافه کرده اند که از یک ابرخازن استفاده می کند. ترمز بازمولد (Regenerative brake) یک مکانیزم بازیابی انرژی است که سرعت خودرو را با تبدیل انرژی جنبشی آن به انواع انرژی های دیگر که فوراً یا تدریجی ذخیره می شوند کم می کند. آن‌ها هم‌اكنون در خودروهاي دوگانه‌سوز از جمله خودروي پريوس براي کاهش سرعت خودرو استـفـاده مـي شـوند. اين انرژي وقتي كه ماشين دوباره شروع به حركت مي‌كند مي‌تواند به وسيله‌ موتور الكتريكي استفاده شود. فناوری نانو با توليد نانومواد جديد با مساحت سطح بالا، روند توسعه ابرخازن ها را با سرعت بيشتري به جريان انداخته است. چنين موادي مي‌توانند امکان ذخيره بيشتر برق را نسبت به مواد معمولي ايجاد کنند و در نتيجه زمان خالي شدن باتري ها طولاني تر شود. به اين ترتيب فشردگي انرژي و برق خروجي چندين برابر افزايش پيدا مي‌كند.

خودرو پريوس مجهز به سيستم ترمز بازياب انرژی. ترمز بازياب انرژي مکانيزمي است که سرعت خودرو را با استفاده از بخشي از انرژي حرکتی آن به انرژي الکتريکي تبديل مي کند.

اين انرژي الکتــريکي براي بعد ذخيره مي شود يا به يک سيستم برقي ديگر تغذيه مي گردد.

باتري‌هاي قابل شارژ

مسايل مهمي که در مورد باتري‌هاي قابل شارژ متداول مطرح است، عبارتند از: نقصان برق خروجي، سرعت کم شارژ و دشارژ باتري‌ها، از دست رفتن شارژ به مرور زمان (حتي وقتي كه باتري استفاده نمي‌شود) و طول عمر کم(تعداد دفعاتي كه يك باتري مي‌تواند شارژ شود). فناوري نانو مي‌تواند براي هريك از اين‌ مشکلات راه حل‌هايي ارائه بدهد. براي مثال باتري‌هاي آخرين مدل دوربين‌هاي ويديويي دستي سوني، از فناوري نانو براي افزايش طول عمر و هم‌چنين كاهش مدت زمان شارژ استفاده كرده است. پر بازده ترين باتري‌هاي قابل شارژ از ليتيم استفاده مي‌كنند.

كل انرژي كه يك باتري مي‌تواند داشته باشد متناسب است با مقدار ليتيمي كه در بردارد. در هنگام شارژ شدن باتري، ليتيم به صورت يون‌هاي مثبت، بين دو الكترود به سمت آند (الكترود منفي) مهاجرت مي‌كند. در هنگام دشارژ يعني هنگامي كه باتري مورد استفاده قرار مي گيرد نيز به سمت كاتد (الكترود مثبت)حركت مي‌كند. باتري‌هاي پرانرژي تر مي‌توانند با گنجاندن ليتيم بيشتري به دست آيند،اما اين كار فشار روي الكترودهايي كه مجبور به افزايش حجم در زمان جابجايي ليتيم در طول چرخه شارژ و دشارژ هستند را زياد مي کند که اين امر مي‌تواند به خراب شدن الكترودها منجر شود. برق بيشتر با افزايش سرعتي كه در آن يون‌هاي ليتيم مي‌توانند بين الكترودها مهاجرت كنند، به دست مي‌آيد. استفاده از مواد نانو اجازه مي‌دهد كه انرژي بالا و باتري‌هاي قوي‌تري به دست آيند.

نانوكامپوزيت‌هاي ليتيم و مواد الكترودي، توده ليتيم را به صورت ذرات كوچكي نگه مي‌دارند كه به‌راحتي در طول روند دشارژ قابل شكسته شدن هستند و منافذ ريزالكترودها به يون‌ها اجازه ورود و خروج سريع‌تري مي‌دهند. در ضمن چنين نانو كامپوزيت‌هايي به كاهش دشارژ خودبه خود باتري(از دست دادن برق) در طول مدت نگهداري كمك مي‌كنند. پيشرفت‌هاي الكتروليت‌ها ( كه اجازه‌ي عبور يون‌هاي ليتيم بين الكترودها را مي‌دهد) نيز اين اثر را تقويت مي‌كند.

انرژي خورشيدي

سلول خورشیدی هر وسیله ای است که بتواند نور خورشید را به انرژی قابل استفاده تبدیل کند.

كارايي يك سلول خورشيدي به اين بستگي دارد كه چه ميزان از اشعه نوري را مي‌‌تواند جذب كند (بقيه به سادگي منعكس شده و يا به صورت گرما هدر مي‌رود) و تا چه حد موثري اين انرژي را به الكتريسيته تبديل مي‌كند. مشكل روش‌هاي معمول، گراني مواد و كارايي نسبتاً كم آن‌ها مي‌باشد. اين به آن معناست كه انرژي خورشيدي چندين برابر گران‌تر از انرژي به دست آمده از مصرف سوخت‌هاي فسيلي مي‌باشد. نانو مواد جديد كارايي بالاتري نسبت به سيليكون‌هاي مصرفي در صفحات خورشيدي امروزي دارند. فناوري نانو هم‌چنين مي‌تواند گزينه‌هاي جديدي مثل صفحات انعطاف پذير را ارائه دهد.فناوري نانو دستاورد ابر ذخيره‌كننده‌ها را به سوي توليد مواد نانوي جديد با ناحيه‌ سطحي افزايش يافته سوق داده است. اين مواد مي‌توانند شارژ بيشتري از مواد معمولي در خود جاي دهند، به اين ترتيب تراكم انرژي و بازده انرژي چندين برابر افزايش پيدا مي‌كند.

مهمترين مشکل باتري هاي خورشيدي بازده اندک آنها است.

توان بيشتر

پيل‌هاي خورشيدي سيليكوني ساخته شده براساس فناوري هاي رايج مقياس ميکرون، حداکثر بازدهي در حدود 25 درصد (در آزمايشگاه) و حدود 14 درصد در آنهايي كه مي‌توان از بازار تهيه کرد دارند. اين كارايي بسيار پايين به دو عامل بستگي دارد: عامل اول اين است که سيليكون محدوده بسيار کوچکي از طيف نور را جهت تبديل به جريان الكتريسيته جذب مي‌كند (اين محدوده به عنوان يك BAND GAP شناخته مي شود) و بقيه‌ نور هم يا جذب نمي شود، يا به صورت گرما جا به جا مي‌شود. عامل دوم اين است که بخشي از انرژي جذب شده به علت رسانايي ضعيف در داخل پيل خورشيدي از دست مي‌رود.

محدوده جذب طيف نور

نانو مواد جديد و ساختارهاي پيل‌هاي خورشيدي در مقياس نانو مي‌توانند در غلبه بر هر دو مانع به ما كمك كنند. نيمه‌رساناهاي مشابهي علاوه بر سيليكون مي‌توانند براي پيل‌هاي خورشيدي استفاده شوند (مثل گاليم، اينديوم و ژرمانيوم). هرنيمه رسانا يا تركيبي از نيمه‌رساناها، BAND GAP متفاوتي دارند.

پس اگر تركيبي از اين‌ها يكي روي ديگري در فيلم‌هاي ظريف استفاده شود (ضخامتي در حد چند ده نانومتر)، هرلايه مي‌تواند قسمت هاي مختلفي از طيف نور را جذب كند، بنابراين كل مقدار انرژي دريافت شده، افزايش مي‌يابد. به اين پيل‌هاي خورشيدي پيل هاي چند اتصالي(Multi-Junction) گفته مي شود. نام جدید این پیل ها ، پیل های خورشیدی رنگین کمانی(Rainbow) است.

چنين پيل‌هايي تا 35 درصد بازدهي به دست آورده‌اند. نكته مهم درباره اين‌گونه پيل‌هاي خورشيدي اين است كه ساختمان كريستالي هرلايه بايد براي انتقال بهتر جريان الكتريسيته كاملاً مناسب باشد. اين نيمه رساناها مي‌توانند برعکس هم عمل کنند، يعني براي توليد رنگ هاي مختلفي از نور در ديودهاي نوري (LEDs) استفاده شوند.

پيش‌بيني مي شود که در آينده نقاط كوانتومي پر بازده ترين پيل هاي خورشيدي را با حدود 85 درصد کارايي ايجاد کنند. اين بخاطر آن است که نقاط کوانتومي مي‌توانند در اندازه‌ها و ترکيبات شيميايي مختلف توليد شوند تا تمام نور موجود را دريافت كنند.

ارزان‌تر

پيل‌هاي خورشيدي قبلي، سیليكوني مشابه تراشه‌هاي كامپيوتري را مصرف مي‌كنند. در نتيجه پيل‌هاي خورشيدي در چندين سال آينده نيز به همين روال توليد خواهند شد كه اين امر هزينه هاي آنها را گران مي کند.

پيل هاي خورشيدي همچنان پر هزينه هستند، اما فناوری نانو امکان کاهش هزينه هاي آنها را خواهد داد.

پيل‌هاي خورشيدي مي‌توانند هم با مصرف سيليكون كمتر و هم بااستفاده از مواد جديد ارزان‌تر ساخته شوند. فيلم‌هاي نازک يك راه به کارگيري يک پوشش فعال روي مواد تامين کننده تراشه ها باشند. مي توان با افشاندن پوشش در بخش خارجي ساختمان‌ها يا ديوارها، به طور موثر صفحات بزرگ ساختماني را به صفحات بزرگ خورشيدي تبديل کرد.

پيل‌هاي خورشيدي جديد از مواد مختلفي مشابه نيمه‌رساناها استفاده مي کنند كه در پيل‌هاي خورشيدي به روشي مشابه سيليكون استفاده مي‌شوند. هر چند ديگر سيستم‌ها از رفتار طبيعت پيروي مي‌كنند، پيل ‌Graetzel با اصولي مشابه فتوسنتز در گياهان كار مي‌كند. اين پيل شامل يک رنگ‌ آلي است ک به دي‌اكسيد تيتانيوم متصل مي‌شود. رنگ نور را جذب مي‌كند و نانوذارت دي اكسيد تيتانيوم الكترون‌ها را عبور مي دهند. با بازدهي ده درصد، اين سيستم به خوبي سيليكون‌ها كار نمي‌كند. با اين حال ارزان‌تر است و مي‌تواند روي سطحي انعطاف پذير استفاده شود.

پيل خورشيدي Graetzel از رنگ آلي و نانوذرات دي‌اكسيد تيتانيوم استفاده مي‌كند تا نور را ضبط کنند و به شکل مناسبي الكتريسيته را انتقال دهند. دانشگاه دلف در اين زمينه فعاليت هاي زيادي انجام مي دهد.