Stærkere, bedre solceller:Graphen -forskning om nye energikapaciteter

(Phys.org) - Der er meget at lære om grænserne for forskning i solenergi, især når det kommer til nye avancerede materialer, som kan ændre, hvordan vi udnytter energi.

Under vejledning af Canada Research Chair i materialevidenskab med synkrotronstråling, Dr. Alexander Moewes, University of Saskatchewan -forsker Adrian Hunt brugte sin ph.d. på at undersøge grafenoxid, et banebrydende materiale, som han håber vil præge teknologiens fremtid.

For at forstå grafenoxid, det er bedst at starte med ren grafen, som er et enkeltlags carbonatomer i et bikagegitter, der først blev fremstillet i 2004 af Andre Geim og Kostya Novoselov ved University of Manchester-en opdagelse, der gav de to fysikere en Nobelpris i 2010.

"Den er utrolig tynd, derfor er den utrolig gennemsigtig. Det har også ekstremt høj ledningsevne, det er meget bedre end kobber, og den er ekstremt stærk, dens trækstyrke er endnu stærkere end stål, "Sagde Hunt.

"Luft beskadiger det ikke. Det kan ikke tære, det kan ikke nedbrydes. Det er virkelig stabilt. "

Alt dette gør grafen til en god kandidat til solceller. I særdeleshed, dets gennemsigtighed og ledningsevne betyder, at det løser to problemer med solceller:for det første, lys har brug for en god leder for at blive konverteret til brugbar energi; for det andet, cellen skal også være gennemsigtig for at lyset skal komme igennem.

De fleste solceller på markedet bruger indiumtinoxid med et ikke-ledende glasbeskyttelseslag til at opfylde deres behov.

"Indium er ekstremt sjældent, så det bliver dyrere hele tiden. Det er den faktor, der vil holde solceller dyre i fremtiden, hvorimod grafen kunne være meget billigt. Kulstof er rigeligt, "sagde Hunt.

Selvom grafen er en god leder, det er ikke særlig godt til at opsamle den elektriske strøm, der produceres inde i solcellen, det er derfor, forskere som Hunt undersøger måder at ændre grafen på for at gøre det mere nyttigt.

Graphenoxid, fokus for Hunts ph.d. -arbejde, har ilt tvunget ind i kulstofgitteret, hvilket gør den meget mindre ledende, men mere gennemsigtig og en bedre ladesamler. Om det vil løse solpanelproblemet eller ej, skal endnu ses, og forskere på området opbygger deres forståelse for, hvordan det nye materiale fungerer.

Ved hjælp af røntgenspredningsteknikker på REIXS- og SGM-strålelinierne i den canadiske lyskilde, samt en Beamline 8.0.1 ved den avancerede lyskilde, Hunt satte sig for at lære mere om, hvordan oxidgrupper knyttet til grafengitteret ændrede det, og hvordan de især interagerede med ladningsbærende grafenatomer.

"Graphenoxid er temmelig kaotisk. Man får ikke en flot enkel struktur, som man virkelig kan modellere, men jeg ville modellere grafenoxid og forstå samspillet mellem disse dele. "

Tidligere modeller havde virket forenklede for Hunt, og han ønskede en model, der ville afspejle grafenoxids sande kompleksitet.

Hver anden del af grafenoxidet har en unik elektronisk signatur. Ved hjælp af synkrotronen, Hunt kunne måle, hvor elektroner var på grafen, og hvordan de forskellige oxidgrupper ændrede det.

Han viste, at tidligere modeller var forkerte, som han håber vil hjælpe med at forbedre forståelsen af ​​virkningerne af små ændringer i oxidation.

I øvrigt, han studerede, hvordan grafenoxid henfalder. Nogle af oxidgrupperne er ikke stabile, og kan gruppere sig for at rive gitteret; andre kan reagere på at lave vand. Hvis der er vand i grafenoxid -enheden, og det opvarmes, vandet kan faktisk brænde grafenoxidet og producere kuldioxid. Det er en faldgrube, der kan være vigtig at forstå i udviklingen af ​​langvarige solceller, hvor solen kunne give risikabel varme ind i ligningen.

Mere forskning som denne vil være nøglen til at udnytte grafen til solenergi, som Hunt forklarer.

"Der er denne komplicerede kæde af interreaktioner, der kan ske over tid, og hvert af disse trin skal behandles og kategoriseres, før vi kan gøre reelle fremskridt. "