Lukke ind på en kulstofbaseret solcelle

For at gøre store plader af kulstof tilgængelige til lysindsamling, Indiana University Bloomington kemikere har udtænkt en usædvanlig løsning - fastgør, hvad der svarer til en 3-D bramplet, på hver side af kulstoffet. Ved at bruge den metode, forskerne siger, at de var i stand til at opløse ark indeholdende så mange som 168 kulstofatomer, en første.

Forskernes rapport, online i dag (9. april), vil blive vist i et fremtidigt nummer af Nano bogstaver , et tidsskrift fra American Chemical Society.

"Vores interesse stammer fra at ville finde et alternativ, let tilgængeligt materiale, der effektivt kan absorbere sollys, " sagde kemiker Liang-shi Li, der ledede forskningen. "I øjeblikket er de mest almindelige materialer til at absorbere lys i solceller silicium og forbindelser, der indeholder ruthenium. Hver af dem har ulemper."

Deres største ulempe er omkostninger og langsigtet tilgængelighed. Ruthenium-baserede solceller kan potentielt være billigere end silicium-baserede, men ruthenium er et sjældent metal på jorden, så sjælden som platin, og vil hurtigt løbe tør, når efterspørgslen stiger.

Kulstof er billigt og rigeligt, og i form af grafen, i stand til at absorbere en lang række lysfrekvenser. Grafen er stort set det samme som grafit (blyant), bortset fra at grafen er et enkelt ark kulstof, et atom tykt. Grafen viser løfte som en effektiv, billigt at producere, og mindre giftigt alternativ til andre materialer, der i øjeblikket bruges i solceller. Men det har også irriteret videnskabsmænd.

For at et ark grafen kan bruges til at indsamle lysfotoner, arket skal være stort. For at bruge den absorberede solenergi til elektricitet, imidlertid, arket må ikke være for stort. Desværre, videnskabsmænd finder store ark grafen svære at arbejde med, og deres størrelser endnu sværere at kontrollere. Jo større grafenarket er, jo mere klistret er det, hvilket gør det mere tilbøjeligt til at tiltrække og glom på andre grafenark. Flere lag grafen kan være gode til at tage noter, men de forhindrer også elektricitet.

Kemikere og ingeniører, der eksperimenterer med grafen, har fundet frem til en lang række strategier til at holde enkelte grafenark adskilt. Den mest effektive løsning forud for Nano bogstaver papir har brækket grafit (top-down) op i ark og viklet polymerer omkring dem for at gøre dem isolerede fra hinanden. Men dette gør grafenplader med tilfældige størrelser, der er for store til lysabsorption til solceller.

Li og hans samarbejdspartnere prøvede en anden idé. Ved at fastgøre en semi-stiv, semi-fleksibel, tredimensionel sidegruppe til siderne af grafen, de var i stand til at holde grafenplader så store som 168 kulstofatomer fra at klæbe til hinanden. Med denne metode, de kunne lave grafenpladerne af mindre molekyler (bottom-up), så de er ensartede i størrelse. Til forskernes viden, det er den største stabile grafenplade nogensinde lavet med bottom-up tilgangen.

Sidegruppen består af en sekskantet carbonring og tre lange, med modhager lavet af kulstof og brint. Fordi grafenarket er stift, sidegrupperingen tvinges til at rotere omkring 90 grader i forhold til grafenens plan. De tre haler er frie til at piske rundt, men to af dem vil have tendens til at omslutte grafenarket, som de er knyttet til.

Halerne fungerer ikke kun som et bur, imidlertid. De tjener også som håndtag for det organiske opløsningsmiddel, så hele strukturen kan opløses. Li og hans kolleger var i stand til at opløse 30 mg af arten pr. 30 ml opløsningsmiddel.

"I denne avis, vi fandt en ny måde at gøre grafen opløseligt på, " sagde Li. "Dette er lige så vigtigt som den relativt store størrelse af selve grafenen."

For at teste effektiviteten af ​​deres grafenlysacceptor, forskerne konstruerede rudimentære solceller ved at bruge titaniumdioxid som elektronacceptor. Forskerne var i stand til at opnå en strømtæthed på 200 mikroampere pr. kvadratcentimeter og en åben kredsløbsspænding på 0,48 volt. Grafenpladerne absorberede en betydelig mængde lys i det synlige til nær-infrarøde område (200 til 900 nm eller deromkring) med maksimal absorption ved 591 nm.

Forskerne er i gang med at redesigne grafenpladerne med klæbrige ender, der binder til titaniumdioxid, hvilket vil forbedre solcellernes effektivitet.

"Høste energi fra solen er et forudsætningstrin, " sagde Li. "Hvordan man forvandler energien til elektricitet er det næste. Vi synes, vi har en god start."