Solcelle udelukkende i kulstof udnytter infrarødt lys

Omkring 40 procent af den solenergi, der når Jordens overflade, ligger i det nær-infrarøde område af spektret - energi, som konventionelle siliciumbaserede solceller ikke er i stand til at udnytte. Men en ny slags solcelle, der udelukkende består af kulstof, udviklet af MIT-forskere, kunne udnytte den ubrugte energi, åbner muligheden for kombinationssolceller - med både traditionelle siliciumbaserede celler og de nye helt kulstofceller - der kan udnytte næsten hele spektret af sollys energi.

"Det er en fundamentalt ny slags fotovoltaisk celle, ” siger Michael Strano, Charles og Hilda Roddey professor i kemiteknik ved MIT og seniorforfatter til et papir, der beskriver den nye enhed, der blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Avancerede materialer .

Den nye celle er lavet af to eksotiske former for kulstof:kulstof nanorør og C60, ellers kendt som buckyballs. "Dette er den første solcelle, der udelukkende består af kulstof, ” siger Strano - en bedrift, der er muliggjort af nye udviklinger inden for storskalaproduktion af rensede kulstof-nanorør. "Det har kun været inden for de sidste par år, eller deromkring, at det har været muligt at give nogen et hætteglas med kun en type kulstof nanorør, ” siger han. For at de nye solceller kan virke, nanorørene skal være meget rene, og af ensartet type:enkeltvægget, og alle af blot et af nanorørs to mulige symmetriske konfigurationer.

Andre grupper har lavet fotovoltaiske (PV) celler ved hjælp af kulstof nanorør, men kun ved at bruge et lag polymer til at holde nanorørene på plads og samle de elektroner, der bliver slået løs, når de absorberer sollys. Men den kombination tilføjer ekstra trin til produktionsprocessen, og kræver ekstra belægninger for at forhindre nedbrydning ved udsættelse for luft. Den nye solcelle i helt kulstof ser ud til at være stabil i luften, siger Strano.

Den kulstofbaserede celle er mest effektiv til at fange sollys i det nær-infrarøde område. Fordi materialet er gennemsigtigt for synligt lys, sådanne celler kan overlejres på konventionelle solceller, skabe en tandem enhed, der kunne udnytte det meste af energien fra sollys. Kulstofcellerne skal raffineres, Strano og hans kolleger siger:Indtil videre, de tidlige proof-of-concept-enheder har en energikonverteringseffektivitet på kun omkring 0,1 procent.

Men mens systemet kræver yderligere forskning og finjustering, "Vi er meget på vej til at lave meget højeffektive nær-infrarøde solceller, " siger Rishabh Jain, en kandidatstuderende, der var hovedforfatter på papiret.

Fordi det nye system bruger lag af materialer i nanoskala, at producere cellerne ville kræve relativt små mængder højt oprenset kulstof, og de resulterende celler ville være meget lette, siger holdet. "En af de virkelig gode ting ved kulstof nanorør er, at deres lysabsorption er meget høj, så du behøver ikke en masse materiale for at absorbere meget lys, " siger Jain.

Typisk, når et nyt solcellemateriale studeres, der er store ineffektiviteter, som forskere gradvist finder måder at reducere. I dette tilfælde, postdoc og medforfatter Kevin Tvrdy siger, nogle af disse kilder til ineffektivitet er allerede blevet identificeret og rettet:F.eks. Forskere ved allerede, at heterogene blandinger af kulstofnanorør er meget mindre effektive end homogene formuleringer, og materiale, der indeholder en blanding af enkeltvæggede og flervæggede nanorør, er så meget mindre effektive, at de nogle gange slet ikke virker, han siger.

"Det er ret klart for os, hvilke ting der skal ske for at øge effektiviteten, " siger Jain. Et område, som MIT-forskerne nu udforsker, er mere præcis kontrol over den nøjagtige form og tykkelse af de materialelag, de producerer, han siger.

Holdet håber, at andre forskere vil deltage i søgen efter måder at forbedre deres system på, siger Jain. "Det er i høj grad et modelsystem, " siger han, "og andre grupper vil være med til at øge effektiviteten."

Men Strano påpeger, at da den nær-infrarøde del af solspektret i øjeblikket er fuldstændig ubrugt af typiske solceller, selv en laveffektiv celle, der fungerer i den region, kunne være umagen værd, så længe dens omkostninger er lave. "Hvis du kunne udnytte selv en del af det nær-infrarøde spektrum, det tilføjer værdi, ” siger han.

Strano tilføjer, at en af ​​papirets anonyme fagfællebedømmere kommenterede, at opnåelsen af ​​en infrarød-absorberende kulstofbaseret solcelle uden polymerlag er realiseringen af ​​"en drøm for feltet."

Michael Arnold, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved University of Wisconsin i Madison, som ikke var involveret i denne forskning, siger, "Carbon nanorør tilbyder fristende muligheder for at øge effektiviteten af ​​solceller og er lidt ligesom fotovoltaiske polymerer på steroider." Dette arbejde, han siger, "er spændende, fordi det demonstrerer fotovoltaisk strømkonvertering ved hjælp af et aktivt lag, der udelukkende er lavet af kulstof." Han tilføjer, "Dette virker som en meget lovende retning, der i sidste ende vil gøre det muligt for nanorørs løfte at blive mere fuldt udnyttet."

Arbejdet involverede også MIT-kandidatstuderende Rachel Howden, Steven Shimizu og Andrew Hilmer; postdoc Thomas McNicholas; og professor i kemiteknik Karen Gleason. Det blev støttet af det italienske firma Eni gennem MIT Energy Initiative, samt National Science Foundation og Department of Defense gennem kandidatstipendier til Jain og Howden, henholdsvis.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.