Første solcelle helt i kulstof

(Phys.org)—Forskere fra Stanford University har bygget den første solcelle udelukkende lavet af kulstof, et lovende alternativ til de dyre materialer, der bruges i solcelleanlæg i dag.

Resultaterne er offentliggjort i 31. oktober online-udgaven af ​​tidsskriftet ACS Nano .

"Carbon har potentialet til at levere høj ydeevne til en lav pris, " sagde seniorforfatter Zhenan Bao, professor i kemiteknik ved Stanford. "Så vidt vi ved, dette er den første demonstration af en fungerende solcelle, der har alle komponenterne lavet af kulstof. Denne undersøgelse bygger på tidligere arbejde udført i vores laboratorium."

I modsætning til stive siliciumsolpaneler, der pryder mange hustage, Stanfords tyndfilmsprototype er lavet af kulstofmaterialer, der kan coates fra opløsning. "Måske kan vi i fremtiden se på alternative markeder, hvor fleksible kulstofsolceller er belagt på overfladen af ​​bygninger, på vinduer eller på biler for at generere elektricitet, " sagde Bao.

Belægningsteknikken har også potentiale til at reducere produktionsomkostningerne, sagde Stanford kandidatstuderende Michael Vosgueritchian, co-lead forfatter af undersøgelsen sammen med postdoc-forsker Marc Ramuz.

"Bearbejdning af siliciumbaserede solceller kræver en masse trin, " Vosgueritchian forklarede. "Men hele vores enhed kan bygges ved hjælp af simple belægningsmetoder, der ikke kræver dyre værktøjer og maskiner."

Kulstof nanomaterialer

Bao-gruppens eksperimentelle solcelle består af et fotoaktivt lag, som absorberer sollys, klemt mellem to elektroder. I en typisk tyndfilm solcelle, elektroderne er lavet af ledende metaller og indiumtinoxid (ITO). "Materialer som indium er knappe og bliver dyrere, efterhånden som efterspørgslen efter solceller, touchscreen paneler og andre elektroniske enheder vokser, " sagde Bao. "Carbon, på den anden side, er billig og rigelig på jorden."

Til studiet, Bao og hendes kolleger erstattede sølvet og ITO, der blev brugt i konventionelle elektroder, med grafen - plader af kulstof, der er et atom tykt - og enkeltvæggede kulstof nanorør, der er 10, 000 gange smallere end et menneskehår. "Carbon nanorør har ekstraordinær elektrisk ledningsevne og lysabsorberende egenskaber, " sagde Bao.

For det aktive lag, forskerne brugte materiale lavet af kulstofnanorør og "buckyballs" - fodboldformede kulstofmolekyler på kun en nanometer i diameter. Forskerholdet har for nylig indgivet patent på hele enheden.

"Hver komponent i vores solcelle, fra top til bund, er lavet af kulstofmaterialer, " sagde Vosgueritchian. "Andre grupper har rapporteret at lave solceller udelukkende i kulstof, men de henviste kun til det aktive lag i midten, ikke elektroderne."

En ulempe ved prototypen udelukkende i kulstof er, at den primært absorberer nær-infrarøde bølgelængder af lys, bidrager til en laboratorieeffektivitet på mindre end 1 procent – ​​meget lavere end kommercielt tilgængelige solceller. "Vi har helt klart en lang vej at gå med effektivitet, " sagde Bao. "Men med bedre materialer og bedre forarbejdningsteknikker, vi forventer, at effektiviteten vil stige ganske dramatisk."

Forbedring af effektiviteten

Stanford-teamet ser på en række måder at forbedre effektiviteten på. "Ruhed kan kortslutte enheden og gøre det svært at opsamle strømmen, " sagde Bao. "Vi er nødt til at finde ud af, hvordan vi gør hvert lag meget glat ved at stable nanomaterialerne rigtig godt."

Forskerne eksperimenterer også med kulstof nanomaterialer, der kan absorbere mere lys i et bredere spektrum af bølgelængder, inklusive det synlige spektrum.

"Materialer lavet af kulstof er meget robuste, " sagde Bao. "De forbliver stabile i lufttemperaturer på næsten 1, 100 grader Fahrenheit."

Kulstofsolcellers evne til at overgå konventionelle enheder under ekstreme forhold kunne overvinde behovet for større effektivitet, ifølge Vosgueritchian. "Vi tror på, at solceller udelukkende i kulstof kan bruges i ekstreme miljøer, ved høje temperaturer eller ved høj fysisk stress, " sagde han. "Men selvfølgelig ønsker vi den højest mulige effektivitet og arbejder på måder at forbedre vores enhed på."

"Fotovoltaik vil helt sikkert være en meget vigtig strømkilde, som vi vil udnytte i fremtiden, " sagde Bao. "Vi har meget tilgængeligt sollys. Vi er nødt til at finde ud af en måde at bruge denne naturressource på, som er givet os."