Forskere bruger kulstof nanorør til at gøre solceller overkommelige, fleksibel

Forskere fra Northwestern University har udviklet et kulstofbaseret materiale, der kan revolutionere den måde, solenergi høstes på. Det nye solcellemateriale – en gennemsigtig leder lavet af kulstof nanorør – giver et alternativ til den nuværende teknologi, som er mekanisk skørt og afhængig af et relativt sjældent mineral.

På grund af jordens overflod af kulstof, kulstof nanorør har potentialet til at øge den langsigtede levedygtighed af solenergi ved at give en omkostningseffektiv mulighed, efterhånden som efterspørgslen efter teknologien stiger. Ud over, materialets mekaniske fleksibilitet kunne gøre det muligt at integrere solceller i stoffer og tøj, muliggør bærbare energiforsyninger, der kan påvirke alt fra personlig elektronik til militære operationer.

Forskningen, ledet af Mark C. Hersam, professor i materialevidenskab og teknik og professor i kemi, og Tobin J. Marks, Vladimir N. Ipatieff professor i katalytisk kemi og professor i materialevidenskab og teknik, er vist på forsiden af ​​oktoberudgaven af ​​2011 Avancerede energimaterialer , et nyt tidsskrift, der har specialiseret sig i videnskab om materialer, der bruges i energianvendelser.

Solceller består af flere lag, inklusive et gennemsigtigt lederlag, der tillader lys at passere ind i cellen og elektricitet at passere ud; for at begge disse handlinger kan ske, lederen skal være både elektrisk ledende og også optisk transparent. Få materialer besidder samtidig begge disse egenskaber.

I øjeblikket, indiumtinoxid er det dominerende materiale, der anvendes i transparente lederapplikationer, men materialet har to potentielle begrænsninger. Indiumtinoxid er mekanisk skørt, hvilket udelukker dets anvendelse i applikationer, der kræver mekanisk fleksibilitet. Ud over, Indiumtinoxid er afhængig af det relativt sjældne grundstof indium, så den forventede øgede efterspørgsel efter solceller kan presse prisen på indium til problematisk høje niveauer.

"Hvis solteknologi virkelig bliver udbredt, som alle håber det vil, vi vil sandsynligvis have en krise i forsyningen af ​​indium, " sagde Hersam. "Der er et stort ønske om at identificere materialer - især jordrige elementer som kulstof - der kan tage indiums plads i solteknologien."

Hersam og Marks' team har skabt et alternativ til indiumtinoxid ved hjælp af enkeltvæggede kulstofnanorør, lille bitte, hule cylindre af kulstof kun en nanometer i diameter.

Forskerne er gået videre for at bestemme den type nanorør, der er mest effektiv i transparente ledere. Nanorørs egenskaber varierer afhængigt af deres diameter og deres chirale vinkel, den vinkel, der beskriver arrangementet af carbonatomer langs længden af ​​nanorøret. Disse egenskaber bestemmer to typer nanorør:metalliske og halvledende.

Metalliske nanorør, fandt forskerne, er 50 gange mere effektive end halvledende, når de bruges som transparente ledere i organiske solceller.

"Vi har nu identificeret præcis den type kulstof nanorør, der skal bruges i denne applikation, " sagde Hersam.

Fordi kulstof nanorør er fleksible, i modsætning til det sprøde indiumtinoxid, forskernes resultater kan bane vejen for mange nye anvendelser i solceller. For eksempel, militæret kunne inkorporere de fleksible solceller i teltmateriale for at levere solenergi direkte til soldater i felten, eller cellerne kunne integreres i tøj, rygsække, eller punge til bærbar elektronik.

"Med denne mekanisk fleksible teknologi, det er meget nemmere at forestille sig at integrere solteknologi i hverdagen, i stedet for at bære rundt på en stor, ufleksibel solcelle, " sagde Hersam.

Forskere undersøger nu andre lag af solcellen for at udforske også at erstatte disse med kulstofbaserede nanomaterialer.