Gennembrud for kulstof nanorør solceller

Lettere, mere fleksibel, og billigere end konventionelle solcellematerialer, kulstof nanorør (CNT'er) har længe vist lovende for solceller. Men forskningen gik i stå, da CNT'er viste sig at være ineffektive, konvertere langt mindre sollys til strøm end andre metoder.

Nu er et forskerhold ledet af Mark Hersam, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og Bette og Neison Harris Chair of Teaching Excellence ved Northwestern University's McCormick School of Engineering, har skabt en ny type CNT-solcelle, der er dobbelt så effektiv som sine forgængere. Det er også den første CNT-solcelle, der har fået sin ydeevne certificeret af National Renewable Energy Laboratory.

"Feltet havde svævet omkring 1 procent effektivitet i omkring et årti; det havde virkelig plateauet, " sagde Hersam. "Men vi har været i stand til at øge det til over 3 procent. Det er et markant spring."

Forskningen er beskrevet i artiklen "Polychiral Semiconducting Carbon Nanotube-Fullerene Solar Cells" i 7. august-udgaven af Nano bogstaver .

Hemmeligheden ligger i CNT'ernes chiralitet, som er en kombination af rørenes diameter og snoning. Når et tyndt ark kulstof rulles til et nanorør, flere hundrede forskellige chiraliteter er mulige. I fortiden, forskere havde en tendens til at vælge en bestemt chiralitet med gode halvledende egenskaber og bygge en hel solcelle ud af den.

"Problemet er, at hver nanorørs chiralitet kun absorberer et snævert område af optiske bølgelængder, " sagde Hersam. "Hvis du laver en solcelle ud af et enkelt chiralitets carbon nanorør, du smider stort set det meste af sollyset væk."

Hersams team lavede en blanding af polykiral, eller multipel chiralitet, halvledende nanorør. Dette maksimerede mængden af ​​fotostrøm produceret ved at absorbere et bredere udvalg af solspektrumbølgelængder. Cellerne absorberede i betydelig grad nær-infrarøde bølgelængder, et udvalg, der har været utilgængeligt for mange førende tyndfilmsteknologier.

Selvom dette er et stort fremskridt for CNT-solceller, de halter stadig bagefter andre materialer i effektivitet. Silicium, for eksempel, kan være 15-20 procent effektiv, men det er dyrere at fremstille. "Hvis du ser på vores præstation, der er helt sikkert et stort spring, " sagde Hersam. "Men der er mere arbejde at gøre. Vi skal stadig fremme denne teknologi med en faktor tre til fem."

Hersam sagde, at det næste skridt er at skabe polychirale CNT-solceller, der har flere lag. Hvert lag ville være optimeret til en bestemt del af solspektret og, dermed, absorbere mere lys. Han sagde, at de også kunne inkorporere andre materialer, såsom organiske eller uorganiske halvledere, at supplere CNT'er.

"Det, vi gerne vil gøre, er at absorbere hver foton fra solen og omdanne den til elektricitet, sagde han. Med andre ord, vi vil gerne have en solcelle, der har et absorptionsspektrum, der passer perfekt til sollyset. Vi er på vej mod det mål."