(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een techniek verfijnd om zonnecellen te produceren door buizen van halfgeleidend materiaal te maken en vervolgens polymeren er direct in te "groeien". De methode heeft het potentieel om aanzienlijk goedkoper te zijn dan het proces dat wordt gebruikt om de huidige commerciële zonnecellen te maken.

Omdat de productiekosten van de huidige generatie zonnecellen ervoor zorgen dat ze niet economisch kunnen concurreren met fossiele brandstoffen, Onderzoekers van Argonne werken aan het herontwerpen van het basisontwerp van de zonnecel. De meeste huidige zonnecellen gebruiken kristallijn silicium of cadmiumtelluride, maar het kweken van een kristal van hoge zuiverheid is energie- en arbeidsintensief, waardoor de cellen duur worden.

De volgende generatie, hybride zonnecellen genoemd, maakt gebruik van een mix van goedkopere organische en anorganische materialen. Om deze materialen effectief te combineren, Onderzoekers van Argonne hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om organische polymeren direct in anorganische nanobuisjes te laten groeien.

Op het meest basale niveau, zonneceltechnologie is gebaseerd op een reeks processen die worden gestart wanneer fotonen, of lichtdeeltjes, halfgeleidend materiaal inslaan. Als een foton de cel raakt, het prikkelt een elektron uit zijn begintoestand, een "gat" van positieve lading achterlatend.

Hybride zonnecellen bevatten twee verschillende soorten halfgeleidend materiaal:de ene geleidt elektronen, de andere gaten. Op de kruising tussen de twee halfgeleiders, het elektron-gat paar wordt uit elkaar getrokken, het creëren van een stroom.

In de studie, Argonne-nanowetenschapper Seth Darling en collega's van Argonne en de Universiteit van Chicago moesten de geometrie van de twee materialen heroverwegen. Als de twee halfgeleiders te ver uit elkaar worden geplaatst, het elektron-gat-paar sterft tijdens het transport. Echter, als ze te dicht op elkaar zitten, de gescheiden ladingen zullen de cel niet verlaten.

Bij het ontwerpen van een alternatief wetenschappers koppelden een elektronendonerend geconjugeerd polymeer aan de elektronenacceptor titaandioxide (TiO ₂ ).

Titaandioxide vormt gemakkelijk minuscule buisjes van slechts tientallen nanometers doorsnee-10, 000 keer kleiner dan een mensenhaar. Rijen van kleine, uniforme nanobuisjes ontspruiten over een film van titanium die is ondergedompeld in een elektrochemisch bad.

Bij de volgende stap moesten de onderzoekers de nanobuisjes vullen met het organische polymeer - een frustrerend proces.

"Nanobuisjes vullen met polymeer is als proberen natte spaghetti in een tafel vol kleine gaatjes te proppen, ' zei Darling. 'Het polymeer buigt en draait, wat leidt tot inefficiënties, zowel omdat het luchtbellen opsluit als het gaat en omdat gedraaide polymeren niet zo goed lading geleiden.

"In aanvulling, dit polymeer houdt niet van titaandioxide, ' voegde Darling eraan toe. 'Dus het trekt zich terug uit de interface wanneer het maar kan.'

Om dit probleem te omzeilen, het team kwam op het idee om het polymeer direct in de buizen te laten groeien. Ze vulden de buizen met een polymeerprecursor, ingeschakeld ultraviolet licht, en laat de polymeren in de buizen groeien.

Op deze manier gegroeid, het polymeer schuwt de TiO . niet ₂ . In feite, tests suggereren dat de twee materialen zich daadwerkelijk op moleculair niveau vermengen; samen zijn ze in staat om licht te vangen op golflengten die voor geen van beide materialen afzonderlijk toegankelijk zijn. Deze "eigengemaakte" methode is potentieel veel goedkoper dan het energie-intensieve proces dat de siliciumkristallen produceert die in de huidige zonnecellen worden gebruikt.

Deze apparaten presteren aanzienlijk beter dan die vervaardigd door de nanobuisjes te vullen met voorgegroeid polymeer, produceren ongeveer 10 keer meer elektriciteit uit geabsorbeerd zonlicht. De zonnecellen die met deze techniek worden geproduceerd, echter, benutten momenteel niet zoveel van de beschikbare energie uit zonlicht als siliciumcellen kunnen. Darling hoopt dat verdere experimenten de efficiëntie van de cellen zullen verbeteren.

Meer informatie: De krant, getiteld "Verbeterde hybride zonnecellen via in situ UV-polymerisatie", werd gepubliceerd in het tijdschrift Klein en is online beschikbaar.

Geleverd door Argonne National Laboratory (nieuws:web)