Fremtiden ser lys ud for kulstof nanorør-solceller

(Phys.org) — I en tilgang, der kunne udfordre silicium som det fremherskende fotovoltaiske cellemateriale, University of Wisconsin-Madison materialeingeniører har udviklet en billig solcelle, der udnytter kulstof nanorør til at absorbere og omdanne energi fra solen.

Fremgangen kan føre til lige så effektive solpaneler, men meget billigere at fremstille, end nuværende paneler.

Den proof-of-concept kulstof nanorør-solcelle kan omdanne næsten 75 procent af det lys, den absorberer, til elektricitet, siger Michael Arnold, en assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved UW-Madison og en pioner inden for udvikling af kulstof nanorør-baserede materialer til solenergianvendelser. "Vi har taget et virkelig fundamentalt vigtigt skridt i at demonstrere, at det vil være muligt at bruge disse nye kulstof nanorør materialer til solceller en dag, " han siger.

Arnold og ph.d.-studerende Matthew Shea beskrev udviklingen i et papir offentliggjort 17. juni, 2013, i online-udgaven af ​​tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver .

Silicium er rigeligt og en effektiv solenergiopsamler, alligevel er det dyrt at forarbejde og fremstille til solpaneler. Som resultat, forskere studerer alternative materialer – blandt andet, kulstof nanorør.

Nylige fremskridt har givet forskere et større niveau af kontrol over den kemiske sammensætning af kulstofnanorør, hvilket igen har åbnet døren til utallige ansøgninger. De tynde spaghetti-lignende rør er nemme og billige at fremstille, stabil og holdbar, og er både gode lysabsorberende og elektriske ledere.

Meget af den nuværende kulstof-nanorør-solcelleforskning er centreret omkring dokumenterede solcellematerialer, der bruger indblandede nanorør til at lede den elektriske ladning. "Det er kun at bruge halvdelen af ​​de muligheder, som nanorør tilbyder, siger Arnold, hvis tidligere arbejde med kulstof nanorør til transistorer inspirerede ham til at udforske anvendelser inden for solenergi.

Med udgangspunkt i et halvt årti med forskning – herunder grundlæggende undersøgelser af ph.d.-studerende Dominick Bindl – udviklede Arnold og Shea en solcelle, der bruger kulstofnanorør til at indsamle lys og omdanne det til elektricitet. "Vi starter fra bunden og forsøger at få høj effektivitet ud af nanorørene, " siger Arnold. "Vi forsøger at få så meget strømkonvertering som muligt ud af vores materiale, og det er det, der er unikt ved vores arbejde."

I det væsentlige, proof-of-concept solcellen er en ultratynd plade, eller film, af kulstof nanorør lagt oven på et andet tyndt ark af et materiale kaldet buckminsterfulleren, eller C ₆₀ . Nanorørene absorberer hovedparten af ​​sollys og bevarer den positive ladning, mens C ₆₀ trækker den negative ladning.

Solcelleeffektivitet er den procentdel af solenergi, der skinner på en celle, som cellen faktisk omdanner til elektrisk energi. Da Arnold og hans elever begyndte denne forskning for fem år siden, deres solceller opnåede energikonverteringseffektiviteter på kun omkring en milliontedel af en procent. I dag - i modsætning til den gennemsnitlige effektivitet på 15 procent af konventionelle siliciumsolceller - er deres proof of concept 1 procent effektive.

Selvom det tal kan virke lavt, Arnold er optimistisk, at den kan stige - til dels fordi det solfangende kulstof-nanorørlag i proof-of-concept-solcellen kun er et par atomer tykt. Og, cellen omdanner cirka 75 procent af det sollys, den absorberer, til elektricitet. "Af det lys, der absorberes, vi konverterer det meste, siger Arnold.

Det næste skridt i at øge effektiviteten er allerede i gang. Forskerne fokuserer nu på at øge tykkelsen af ​​kulstofnanorørets tynde film fra kun 5 nanometer til mindst 100 - hvilket, efter deres teoretiske modeller, i sidste ende kunne bringe energikonverteringseffektiviteten af ​​deres solceller på linje med siliciumcellernes. "Hvad vores arbejde viser er, at du vil være i stand til at opnå lige så høj effektivitet som silicium i sidste ende, og det er derfor vi er begejstrede, siger Arnold.