Grafen organisk solcelle, eller, vil jogger-t-shirts en dag drive deres mobiltelefoner?

Et team fra University of Southern California har produceret fleksible gennemsigtige carbonatomfilm, som forskerne siger har et stort potentiale for en ny race af solceller.

"Organiske fotovoltaiske (OPV) celler er blevet foreslået som et middel til at opnå billig energi på grund af deres lette fremstilling, let vægt, og kompatibilitet med fleksible underlag, " skrev Chongwu Zhou, en professor i elektroteknik ved USC Viterbi School of Engineering, i et papir, der for nylig er offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

Teknikken beskrevet i artiklen beskriver fremskridt hen imod et nyt OPV-celledesign, der har betydelige fordele, især inden for fysisk fleksibilitet.

Et kritisk aspekt ved enhver OPV foto-elektronisk enhed er en gennemsigtig ledende elektrode, gennem hvilken lys kan kobles med aktive materialer for at skabe elektricitet. Det nye arbejde indikerer, at grafen, en meget ledende og meget gennemsigtig form for kulstof, der består af atomtykke plader af kulstofatomer, har et stort potentiale til at udfylde denne rolle.

Mens grafens eksistens har været kendt i årtier, det er kun blevet undersøgt grundigt siden 2004 på grund af vanskeligheden ved at fremstille det i høj kvalitet og i kvantitet.

Zhou-laboratoriet rapporterede om storskalaproduktion af grafenfilm ved kemisk dampaflejring for tre år siden. I denne proces, USC's ingeniørteam skaber ultratynde grafenplader ved først at afsætte kulstofatomer i form af grafenfilm på en nikkelplade fra metangas.

Så lægger de et beskyttende lag af termoplast over grafenlaget, og opløs derefter nikkelen nedenunder i et syrebad. I det sidste trin fastgør de den plastikbeskyttede grafen til en meget fleksibel polymerplade, som derefter kan inkorporeres i en OPV-celle. (se diagrammet)

USC-teamet har produceret grafen/polymer-ark i størrelser op til 150 kvadratcentimeter, som igen kan bruges til at skabe tætte arrays af fleksible OPV-celler.

Disse OPV-enheder konverterer solstråling til elektricitet, men ikke så effektivt som siliciumceller. Effekten fra sollys på en solskinsdag er omkring 1000 watt pr. kvadratmeter. "For hver 1000 watt sollys, der rammer et areal på en kvadratmeter af standardsiliciumsolcellen, 14 watt elektricitet vil blive genereret, " siger Lewis Gomez De Arco, en ph.d.-studerende og et medlem af holdet, der byggede grafen OPV'erne. "Økologiske solceller er mindre effektive; deres konverteringsrate for de samme tusind watt sollys i den grafenbaserede solcelle ville kun være 1,3 watt."

Men hvad grafen OPV'er mangler i effektivitet, de kan potentielt mere end tjene til en lavere pris og, større fysisk fleksibilitet. Gomez De Arco mener, at det i sidste ende kan blive muligt at drive trykpresser, der lægger store områder dækket med billige solceller, meget ligesom avispresser tryk aviser.

"De kunne hænges op som gardiner i hjemmet eller endda laves om til stof og bæres som strømgenererende tøj. Jeg kan forestille mig folk, der driver deres mobiltelefon eller musik-/videoenhed, mens de jogger i solen, " han sagde.

USC-forskerne siger, at grafen-OPV'er ville være et stort fremskridt på mindst ét ​​afgørende område i forhold til et rivaliserende OPV-design, en baseret på Indium-Tin-Oxide (ITO). I USC-holdets test, ITO-celler fejlede ved en meget lille bøjningsvinkel, mens de grafenbaserede celler forblev operationelle efter gentagne bøjninger ved meget større spændingsvinkler. Dette ville give grafensolcellerne en decideret fordel ved nogle anvendelser, inklusive de trykte-på-stof-applikationer foreslået af USC-teamet.

Zhou og de andre forskere på USC-holdet - som inkluderede Yi Zhang, Cody W. Schlenker, Koungmin Ryu, og Mark E. Thompson foruden Gomez de Arco - er begejstrede for potentialet for denne teknologi.

Deres papir konkluderer, at deres tilgang udgør et betydeligt fremskridt i retning af produktionen af ​​gennemsigtige ledende elektroder i solceller. "CVD grafen opfylder de vigtigste kriterier for overflod, lavpris, ledningsevne, stabilitet, elektrode/organisk film kompatibilitet, og fleksibilitet, der er nødvendig for at erstatte ITO i organisk solcelle, hvilket kan have vigtige konsekvenser for fremtidige organiske optoelektroniske enheder."