Grafenelektroder til organiske solceller

En lovende tilgang til fremstilling af solceller, der er billige, let og fleksibel er at bruge økologisk (dvs. kulstofholdige) forbindelser i stedet for dyre, højt renset silicium. Men et genstridigt problem har bremset udviklingen af ​​sådanne celler:Forskere har haft svært ved at finde på passende materialer til elektroderne til at føre strømmen til og fra cellerne. Specifikt, det har været svært at lave elektroder ved hjælp af materialer, der kan matche de organiske cellers fleksibilitet, gennemsigtighed og lave omkostninger.

Standardmaterialet, der hidtil er brugt til disse elektroder, er indium-tin-oxid, eller ITO. Men indium er dyrt og relativt sjældent, så der har været søgt efter en passende erstatning. Nu, et hold af MIT-forskere har fundet frem til en praktisk måde at bruge en mulig erstatning lavet af billigt og allestedsnærværende kulstof. Det foreslåede materiale er grafen, en form for kulstof, hvor atomerne danner et fladt ark med kun et atom tykt, arrangeret i en kyllingetrådslignende formation.

En analyse af, hvordan man bruger grafen som elektrode til sådanne solceller, blev offentliggjort den 17. december i tidsskriftet Nanoteknologi , i et papir af MIT-professorerne Jing Kong og Vladimir Bulović sammen med to af deres studerende og en postdoc-forsker.

Grafen er gennemsigtigt, så elektroder fremstillet af det kan påføres de transparente organiske solceller uden at blokere noget af det indkommende lys. Ud over, den er fleksibel, ligesom de organiske solceller selv, så det kan være en del af installationer, der kræver, at panelet følger konturerne af en struktur, såsom et mønstret tag. ITO, derimod er stiv og skør.

Det største problem med at få grafen til at fungere som elektrode til organiske solceller har været at få materialet til at klæbe til panelet. Grafen afviser vand, så typiske procedurer til fremstilling af en elektrode på overfladen ved at afsætte materialet fra en opløsning vil ikke fungere.

Holdet prøvede en række forskellige tilgange til at ændre cellens overfladeegenskaber eller bruge andre løsninger end vand til at afsætte kulstoffet på overfladen, men ingen af ​​disse klarede sig godt, siger Kong. Men så fandt de ud af, at "doping" af overfladen - dvs. at indføre et sæt urenheder i overfladen - ændrede den måde, den opførte sig på, og tillod grafenen at binde tæt. Som en bonus, det viste sig, at dopingen også forbedrede materialets elektriske ledningsevne.

Mens grafenelektrodens specifikke egenskaber adskiller sig fra ITO'ens, ville den erstatte, dens samlede ydeevne i en solcelle er meget ens, siger Kong. Og fleksibiliteten og lette vægt af organiske solceller med grafenelektroder kunne åbne op for en række forskellige applikationer, som ikke ville være mulige med nutidens konventionelle siliciumbaserede solpaneler, hun siger. For eksempel, på grund af deres gennemsigtighed kunne de anvendes direkte på vinduer uden at blokere udsynet, og de kunne anvendes på uregelmæssige væg- eller tagoverflader. Ud over, de kan stables oven på andre solpaneler, øge mængden af ​​strøm, der genereres fra et givet område. Og de kan endda foldes eller rulles sammen for nem transport.

Mens denne forskning så på, hvordan man tilpasser grafen til at erstatte en af ​​de to elektroder på et solpanel, Kong og hendes kolleger forsøger nu også at tilpasse den til den anden elektrode. Ud over, Udbredt brug af denne teknologi vil kræve nye teknikker til storskala fremstilling af grafen - et område med meget aktiv forskning. Det igangværende arbejde er blevet finansieret af Eni-MIT Alliance Solar Frontiers Center og et NSF-forskningsstipendium.

Peter Peumans, en assisterende professor i elektroteknik ved Stanford University, som ikke var involveret i denne undersøgelse, siger, at organiske solceller sandsynligvis kun bliver praktiske med udviklingen af ​​transparent elektrodeteknologi, der både er billigere og mere robust end konventionelle metaloxider. Andre materialer undersøges som mulige erstatninger, han siger, men dette arbejde repræsenterer "meget vigtigt fremskridt" i retning af at gøre grafen til en troværdig erstatning for transparent elektrode.

"Andre grupper havde allerede vist, at grafen udviser gode kombinationer af gennemsigtighed og arkmodstand, men ingen var i stand til at opnå en præstation med grafenelektroder, der matcher enheder på konventionelle metaloxidelektroder (ITO), " siger Peumans. "Dette arbejde er et væsentligt skub i retning af at gøre grafen til en førende kandidat."