Fleksibel, lette solceller:Forskere udvikler en ny tilgang ved hjælp af grafenplader overtrukket med nanotråde

MIT-forskere har produceret en ny slags fotovoltaisk celle baseret på ark af fleksibel grafen belagt med et lag af nanotråde. Tilgangen kan føre til lave omkostninger, gennemsigtige og fleksible solceller, der kan installeres på vinduer, tage eller andre overflader.

Den nye tilgang er detaljeret i en rapport offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver , medforfatter af MIT postdocs Hyesung Park og Sehoon Chang, lektor i materialevidenskab og teknik Silvija Gradečak, og otte andre MIT-forskere.

Mens de fleste af nutidens solceller er lavet af silicium, disse forbliver dyre, fordi silicium generelt er meget renset og derefter gøres til krystaller, der skæres i tynde skiver. Mange forskere undersøger alternativer, såsom nanostrukturerede eller hybride solceller; indiumtinoxid (ITO) bruges som en gennemsigtig elektrode i disse nye solceller.

"I øjeblikket, ITO er det foretrukne materiale til transparente elektroder, " Gradečak siger, som i de berøringsskærme, der nu bruges på smartphones. Men det indium, der bruges i den forbindelse, er dyrt, mens grafen er lavet af allestedsnærværende kulstof.

Det nye materiale, Gradečak siger, kan være et alternativ til ITO. Ud over de lavere omkostninger, det giver andre fordele, herunder fleksibilitet, lav vægt, mekanisk styrke og kemisk robusthed.

At bygge halvledende nanostrukturer direkte på en uberørt grafenoverflade uden at forringe dens elektriske og strukturelle egenskaber har været udfordrende på grund af grafens stabile og inerte struktur, Gradečak forklarer. Så hendes team brugte en række polymerbelægninger til at ændre dets egenskaber, tillader dem at binde et lag zinkoxid -nanotråde til det, og derefter et overlæg af et materiale, der reagerer på lysbølger-enten bly-sulfid-kvantepunkter eller en type polymer kaldet P3HT.

På trods af disse ændringer, Gradečak siger, grafens medfødte egenskaber forbliver intakte, giver betydelige fordele i det resulterende hybridmateriale.

"Vi har demonstreret, at enheder baseret på grafen har en sammenlignelig effektivitet med ITO, " siger hun - i tilfælde af kvanteprikker overlejring, en samlet effektkonverteringseffektivitet på 4,2 procent – ​​mindre end effektiviteten af ​​generelle siliciumceller, men konkurrencedygtig til specialiserede applikationer. "Vi er de første til at demonstrere graphene-nanowire solceller uden at ofre enhedens ydeevne."

Ud over, i modsætning til højtemperaturvækst af andre halvledere, en løsningsbaseret proces til at afsætte zinkoxidnanotråde på grafenelektroder kan udføres udelukkende ved temperaturer under 175 grader Celsius, siger Chang, en postdoc i MIT's Department of Materials Science and Engineering (DMSE) og en hovedforfatter af papiret. Siliciumsolceller behandles typisk ved væsentligt højere temperaturer.

Fremstillingsprocessen er meget skalerbar, tilføjer Park, den anden hovedforfatter og en postdoc i DMSE og i MIT's Institut for Elektroteknik og Datalogi. Grafenen syntetiseres gennem en proces kaldet kemisk dampaflejring og belægges derefter med polymerlagene. "Størrelsen er ikke en begrænsende faktor, og grafen kan overføres til forskellige målsubstrater, såsom glas eller plast, " siger Park.

Gradečak advarer om, at selvom skalerbarheden for solceller ikke er blevet demonstreret endnu - hun og hendes kolleger har kun lavet proof-of-concept-enheder på en halv tomme i størrelse - forudser hun ikke nogen forhindringer for at lave større størrelser. "Jeg tror, ​​at vi inden for et par år kunne se [kommercielle] enheder" baseret på denne teknologi, hun siger.

László Forró, professor ved Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, i Schweiz, som ikke var tilknyttet denne forskning, siger, at ideen om at bruge grafen som en gennemsigtig elektrode allerede var "i luften, " men var faktisk ikke blevet realiseret.

"Efter min mening er dette arbejde et reelt gennembrud, " siger Forró. "Fremragende arbejde i enhver henseende."

Han advarer om, at "vejen stadig er lang til at komme ind i rigtige applikationer, der er mange problemer, der skal løses, " men tilføjer, at "kvaliteten af ​​forskerholdet omkring dette projekt ... garanterer succesen."

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.