Kulstofbaserede nanomaterialer kan sænke omkostningerne til solenergi

Når Mike Arnold tænker på solenergi, han tænker stort, som i "mere end et hundrede millioner milliarder watt sollys, som Jorden kontinuerligt bader i." Men han tænker også meget, meget lille, at undersøge, hvordan et en milliardtedel af en meter tykt kulstofbaseret nanomateriale dramatisk kan reducere prisen på at producere elektricitet med solceller.

Arnold, lektor i UW-Madisons afdeling for materialevidenskab og teknik, leder et forskerhold, der fokuserer på studiet af avancerede elektroniske materialer til fotovoltaisk (PV) solenergi, energilagring, og halvlederelektronik. At udvikle materialer, der kan nedbringe omkostningerne ved PV-energi, er hans teams passion og primære mål.

"Vi er alle bekendt med fordelene ved solenergi, "Arnold forklarer." Rigt sollys, ingen emissioner, ingen bevægelige dele, ingen støj, og nem transport, men det får mange mennesker til at undre sig over, hvorfor vi stadig har kulværker og ikke har solpaneler på alle tage. Og svaret er helt sikkert 'omkostninger'. Selvom priserne for at producere solenergi er faldet dramatisk i løbet af de sidste par årtier, vi er endnu ikke nået til det punkt, hvor solcelleenergi kan konkurrere økonomisk."

Fotovoltaisk energi skabes, når fotoner - eller pakker med lys fra solen - rejser de næsten 93 millioner miles til Jorden og rammer en solcelle. Når det halvledende materiale i en solcelle absorberer sollys, en elektrisk ladning genereres. Det er derefter solcellens opgave at adskille ladningen, så dens positive komponent går til den ene side af solcellen og dens negative komponent går til den anden, således producerer en elektrisk strøm. Disse solceller er grupperet i moduler, og disse moduler er grupperet i de paneler, vi ser på hustage og i solfelter.

"Siliciumsolcellers effektivitet på 25% er ganske god, " siger Arnold. "Det er prisen på silicium som råmateriale og de høje omkostninger ved forarbejdning, der gør det svært at nedbringe prisen på PV. Det, vi har brug for, er celler, der er lige så effektive, men meget billigere at lave. "

Nogle "andengenerations" alternative PV-materialer, såsom tyndfilm solceller, bliver undersøgt af industrien og er endda blevet kommercialiseret. Men prismærket for solenergi er fortsat højt med disse teknologier, og fokus for det meste PV-forskning er nu på såkaldte "tredjegenerations" nanomaterialer som dem, der er studeret i Arnolds laboratorium. "Nano" henviser til den bemærkelsesværdige lille størrelse af disse materialer; en nanometer er en milliarddel af en meter.

Arnolds tilgang er at starte med meget billige materialer, i princippet, kunne laves om til solceller og så udtænke en måde at få dem til at virke. I øjeblikket, Arnolds team fokuserer på kulstofbaserede nanomaterialer kaldet grafen og kulstofnanorør. Disse nanomaterialer syntetiseres i laboratoriet ved hjælp af en proces kaldet kemisk dampaflejring, hvor kulbrinter (gasser som metan (CH4) og ethylen (C2H4)) omdannes til rent kulstof.

Ved fremstilling af grafen, carbonhydrider reagerer med hinanden på et fladt substrat, hvor de afgiver hydrogengas (H2) som et biprodukt og danner grafen (ren C) på substratet. På denne måde store underlag kan belægges med kontinuerlige, atomisk tynde plader af grafen. For at producere et carbon nanorør, kulbrintereaktionerne finder sted på enden af ​​en sfærisk nanopartikel i stedet for et fladt substrat, danner en cylinder.

Slutresultatet er nanomaterialer, der slet ikke består af molekyler, men er kun opbygget af et enkelt lag af atomer.

"Disse materialer er så tynde, som du kan forestille dig... du kan virkelig ikke gøre noget tyndere, "Arnold forklarer, gør det let at forstå, hvorfor det videnskabelige samfund nogle gange omtaler disse materialer som "2D".

"Når vi kommer ned til dette enkelte lag af atomer i grafen og kulstof nanorør, "Arnold siger, "de er nogle af de bedste elektriske ledere, vi nogensinde har opdaget, og deres elektroniske egenskaber er meget nemmere at kontrollere. De er kraftige lysabsorbere, relativt stabil, let at syntetisere, og billigt, da kulstof er så rigeligt."

Arnolds team undersøger i øjeblikket brugen af ​​både grafenplader og kulstofnanorør i solceller. For et projekt, hans team skaber kulstof nanorør med forskellige diametre, der absorberer forskellige bølgelængder af lys; i en solcelle, denne række diametre kan bidrage til at øge den samlede lysabsorption.

"Vi kan potentielt udnytte kraften fra meget mere lys ved at variere nanorørets diameter, Arnold forklarer, "alle farverne i regnbuen samt dem i spektrene, som vi ikke kan se."

Arnold er forpligtet til at udforske potentialet af kulstofbaserede nanomaterialer som en billig måde at udnytte solens enorme kraft på. og transformation af solenergiområdet.

"Vi arbejder hårdt på at bedre forstå deres egenskaber og prøve dem i egentlige solceller på mange forskellige måder. Vi føler, at vores nuværende forskning bringer os tættere på den dag, hvor vi virkelig vil se solpaneler på hvert tag."