Grafen / nanorør hybrid gavner fleksible solceller

(Phys.org) – Rice University-forskere har opfundet en ny katode, der kan gøre billig, fleksible farve-sensibiliserede solceller praktisk.

Materialeforskeren Jun Lous rislaboratorium skabte den nye katode, en af ​​de to elektroder i batterier, fra nanorør, der er sømløst bundet til grafen og erstatter de dyre og sprøde platinbaserede materialer, der ofte er brugt i tidligere versioner.

Opdagelsen blev rapporteret online i Royal Society of Chemistry's Journal of Materials Chemistry A .

Farve-sensibiliserede solceller har været under udvikling siden 1988 og har været genstand for utallige high school kemi klasse eksperimenter. De bruger billige organiske farvestoffer, hentet fra hindbær, som dækker ledende titaniumdioxidpartikler. Farvestofferne absorberer fotoner og producerer elektroner, der strømmer ud af cellen til brug; en returledning fuldender kredsløbet til katoden, der kombineres med en jod-baseret elektrolyt for at genopfriske farvestoffet.

Selvom de ikke er nær så effektive som siliciumbaserede solceller til at indsamle sollys og omdanne det til elektricitet, farvefølsomme solceller har fordele til mange anvendelser, ifølge co-lead forfatter Pei Dong, en postdoktor i Lous laboratorium.

"Den første er, at de er billige, fordi de kan fremstilles i et normalt område, " sagde Dong. "Der er ikke behov for et rent værelse. De er semi-gennemsigtige, så de kan påføres glas, og de kan bruges i svagt lys; de vil endda arbejde på en overskyet dag.

"Eller indendørs, " Lou sagde. "Et firma, der kommercialiserer farvestofsensibiliserede celler, indlejrer dem i computertastaturer og mus, så du aldrig behøver at installere batterier. Normalt rumlys er tilstrækkeligt til at holde dem i live."

Gennembruddet udvider en strøm af nanoteknologisk forskning hos Rice, der begyndte med kemikeren Robert Hauges opfindelse i 2009 af en "flyvende tæppe"-teknik til at dyrke meget lange bundter af justerede kulstofnanorør. I sin proces, nanorørene forblev fastgjort til overfladesubstratet, men skubbede katalysatoren op, mens de voksede.

Grafen/nanorør-hybriden kom for to år siden. Døbt "James' bond" til ære for sin opfinder, Riskemiker James Tour, hybriden har en sømløs overgang fra grafen til nanorør. Grafenbasen dyrkes via kemisk dampaflejring, og en katalysator er arrangeret i et mønster ovenpå. Når den opvarmes igen, kulstofatomer i et aerosolråmateriale binder sig til grafenet ved katalysatoren, som løfter sig og lader de nye nanorør vokse. Når nanorørene holder op med at vokse, den resterende katalysator ("tæppet") fungerer som en hætte og forhindrer nanorørene i at blive sammenfiltret.

Hybridmaterialet løser to problemer, der har holdt kommerciel anvendelse af farvesensibiliserede solceller tilbage, sagde Lou. Først, grafen og nanorør dyrkes direkte på nikkelsubstratet, der tjener som en elektrode, eliminering af adhæsionsproblemer, der plagede overførslen af ​​platinkatalysatorer til almindelige elektroder som gennemsigtigt ledende oxid.

Sekund, hybriden har også mindre kontaktmodstand med elektrolytten, lader elektroner flyde mere frit. Den nye katodes ladningsoverførselsmodstand, som bestemmer, hvor godt elektroner krydser fra elektroden til elektrolytten, viste sig at være 20 gange mindre end for platinbaserede katoder, sagde Lou.

Nøglen ser ud til at være hybridens enorme overfladeareal, anslået til mere end 2, 000 kvadratmeter pr gram. Uden afbrydelse af atombindingerne mellem nanorør og grafen, hele materialets område, inde og ude, bliver én stor overflade. Dette giver elektrolytten rig mulighed for at få kontakt og giver en stærkt ledende bane for elektroner.

Lous laboratorium byggede og testede solceller med nanorørskove af varierende længde. Den korteste, som målte mellem 20-25 mikron, blev dyrket på 4 minutter. Andre nanorørprøver blev dyrket i en time og målte omkring 100-150 mikrometer. Når det kombineres med en iodidsaltbaseret elektrolyt og en anode af fleksibelt indiumtinoxid, titaniumdioxid og lysfangende organiske farvestofpartikler, de største celler var kun 350 mikrometer tykke – svarende til omkring to ark papir – og kunne bøjes let og gentagne gange.

Tests viste, at solceller fremstillet af de længste nanorør gav de bedste resultater og toppede med næsten 18 milliampere strøm pr. kvadratcentimeter, sammenlignet med næsten 14 milliampere for platinbaserede kontrolceller. De nye farvefølsomme solceller var så meget som 20 procent bedre til at omdanne sollys til strøm, med en effektivitet på op til 8,2 procent, sammenlignet med 6,8 ​​for de platinbaserede celler.

Baseret på nyligt arbejde med fleksibel, grafenbaserede anodematerialer af Lou og Tour laboratorier og syntetiserede højtydende farvestoffer af andre forskere, Lou forventer, at farvefølsomme celler finder mange anvendelsesmuligheder. "Vi demonstrerer, at alle disse kulstofnanostrukturer kan bruges i rigtige applikationer, " han sagde.