Om grote vellen koolstof beschikbaar te maken voor het verzamelen van licht, De scheikundigen van de Indiana University in Bloomington hebben een ongebruikelijke oplossing bedacht:bevestig een driedimensionale braamstruik aan elke kant van de koolstofplaat. Met behulp van die methode, de wetenschappers zeggen dat ze vellen met maar liefst 168 koolstofatomen konden oplossen, een eerste.

Het rapport van de wetenschappers, vandaag online (9 april), zal verschijnen in een toekomstige uitgave van Nano-letters , een tijdschrift van de American Chemical Society.

"Onze interesse komt voort uit het zoeken naar een alternatief, gemakkelijk verkrijgbaar materiaal dat zonlicht efficiënt kan absorberen, " zei chemicus Liang-shi Li, die het onderzoek leidde. "Op dit moment zijn de meest gebruikte materialen voor het absorberen van licht in zonnecellen silicium en verbindingen die ruthenium bevatten. Elk heeft zijn nadelen."

Hun grootste nadeel zijn de kosten en de beschikbaarheid op lange termijn. Op ruthenium gebaseerde zonnecellen kunnen mogelijk goedkoper zijn dan op silicium gebaseerde zonnecellen, maar ruthenium is een zeldzaam metaal op aarde, zo zeldzaam als platina, en zal snel opraken als de vraag toeneemt.

Koolstof is goedkoop en overvloedig, en in de vorm van grafeen, in staat om een ​​breed scala aan lichtfrequenties te absorberen. Grafeen is in wezen hetzelfde spul als grafiet (potlood), behalve dat grafeen een enkele laag koolstof is, een atoom dik. Grafeen is veelbelovend als een effectieve, goedkoop te produceren, en minder giftig alternatief voor andere materialen die momenteel in zonnecellen worden gebruikt. Maar het heeft ook wetenschappers gekweld.

Wil een vel grafeen enig nut hebben bij het verzamelen van fotonen van licht, het blad moet groot zijn. Om de geabsorbeerde zonne-energie te gebruiken voor elektriciteit, echter, het blad mag niet te groot zijn. Helaas, wetenschappers vinden grote vellen grafeen moeilijk om mee te werken, en hun afmetingen nog moeilijker te controleren. Hoe groter de grafeenplaat, hoe plakkeriger het is, waardoor het meer kans heeft om andere grafeenplaten aan te trekken en op te vallen. Meerdere lagen grafeen kunnen goed zijn voor het maken van aantekeningen, maar ze voorkomen ook elektriciteit.

Chemici en ingenieurs die met grafeen experimenteren, hebben een hele reeks strategieën bedacht om afzonderlijke grafeenvellen gescheiden te houden. De meest effectieve oplossing voorafgaand aan de Nano-letters papier breekt grafiet (van boven naar beneden) in vellen en wikkelt er polymeren omheen om ze van elkaar te isoleren. Maar dit maakt grafeenplaten met willekeurige afmetingen die te groot zijn voor lichtabsorptie voor zonnecellen.

Li en zijn medewerkers probeerden een ander idee. Door een semi-rigide te bevestigen, semi-flexibel, driedimensionale zijgroep aan de zijkanten van het grafeen, ze waren in staat om grafeenplaten ter grootte van 168 koolstofatomen aan elkaar te kleven. Met deze methode, ze zouden de grafeenvellen kunnen maken van kleinere moleculen (bottom-up), zodat ze uniform van grootte zijn. Voor zover de wetenschappers weten, het is de grootste stabiele grafeenplaat ooit gemaakt met de bottom-up benadering.

De zijgroep bestaat uit een zeshoekige koolstofring en drie lange, staarten met weerhaken gemaakt van koolstof en waterstof. Omdat de grafeenplaat stijf is, de zijgroepring wordt gedwongen ongeveer 90 graden te draaien ten opzichte van het vlak van het grafeen. De drie bramenstaarten zijn vrij om rond te zwiepen, maar twee van hen zullen de neiging hebben om de grafeenplaat te omsluiten waaraan ze zijn bevestigd.

De staarten fungeren niet alleen als kooi, echter. Ze dienen ook als handvat voor het organische oplosmiddel, zodat de hele structuur kan worden opgelost. Li en zijn collega's waren in staat om 30 mg van de soort per 30 ml oplosmiddel op te lossen.

"In deze krant, we hebben een nieuwe manier gevonden om grafeen oplosbaar te maken, " zei Li. "Dit is net zo belangrijk als de relatief grote omvang van het grafeen zelf."

Om de effectiviteit van hun grafeenlichtacceptor te testen, de wetenschappers construeerden rudimentaire zonnecellen met behulp van titaniumdioxide als elektronenacceptor. De wetenschappers waren in staat om een ​​stroomdichtheid van 200 microampère per vierkante cm en een nullastspanning van 0,48 volt te bereiken. De grafeenvellen absorbeerden een aanzienlijke hoeveelheid licht in het zichtbare tot nabij-infrarode bereik (200 tot 900 nm of zo) met piekabsorptie bij 591 nm.

De wetenschappers zijn bezig met het herontwerpen van de grafeenplaten met kleverige uiteinden die binden aan titaniumdioxide, wat de efficiëntie van de zonnecellen zal verbeteren.

"Het oogsten van energie van de zon is een eerste vereiste, " zei Li. "Hoe je de energie in elektriciteit kunt veranderen, is de volgende. We denken dat we een goede start hebben."