Een team van de University of Southern California heeft flexibele transparante koolstofatoomfilms geproduceerd die volgens de onderzoekers een groot potentieel hebben voor een nieuw soort zonnecellen.

"Organische fotovoltaïsche (OPV) cellen zijn voorgesteld als een middel om goedkope energie te verkrijgen vanwege hun gemakkelijke fabricage, lichtgewicht, en compatibiliteit met flexibele substraten, " schreef Chongwu Zhou, hoogleraar elektrotechniek aan de USC Viterbi School of Engineering, in een artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd ACS Nano .

De techniek die in het artikel wordt beschreven, beschrijft de voortgang naar een nieuw OPV-celontwerp dat aanzienlijke voordelen heeft, vooral op het gebied van fysieke flexibiliteit.

Een cruciaal aspect van elk OPV-foto-elektronisch apparaat is een transparante geleidende elektrode waardoor licht kan koppelen met actieve materialen om elektriciteit te creëren. Het nieuwe werk geeft aan dat grafeen, een sterk geleidende en zeer transparante vorm van koolstof bestaande uit atomen-dikke vellen koolstofatomen, heeft veel potentie om deze rol te vervullen.

Hoewel het bestaan ​​van grafeen al tientallen jaren bekend is, het is pas sinds 2004 uitgebreid bestudeerd vanwege de moeilijkheid om het in hoge kwaliteit en in kwantiteit te vervaardigen.

Het Zhou-lab rapporteerde drie jaar geleden de grootschalige productie van grafeenfilms door chemische dampafzetting. In dit proces, het USC-engineeringteam maakt ultradunne grafeenvellen door eerst koolstofatomen in de vorm van grafeenfilms af te zetten op een nikkelplaat uit methaangas.

Daarna leggen ze een beschermende laag thermoplast over de grafeenlaag, en los vervolgens het nikkel eronder op in een zuurbad. In de laatste stap hechten ze het met plastic beschermde grafeen aan een zeer flexibele polymeerplaat, die vervolgens in een OPV-cel kan worden opgenomen. (zie schema)

Het USC-team heeft grafeen / polymeerplaten geproduceerd met afmetingen tot 150 vierkante centimeter die op hun beurt kunnen worden gebruikt om dichte arrays van flexibele OPV-cellen te maken.

Deze OPV-apparaten zetten zonnestraling om in elektriciteit, maar niet zo efficiënt als siliciumcellen. Het vermogen van zonlicht op een zonnige dag is ongeveer 1000 watt per vierkante meter. "Voor elke 1000 watt zonlicht die op een oppervlakte van één vierkante meter van de standaard siliciumzonnecel valt, Er wordt 14 watt elektriciteit opgewekt, " zegt Lewis Gomez De Arco, een promovendus en een lid van het team dat de grafeen-OPV's bouwde. "Organische zonnecellen zijn minder efficiënt; hun conversieratio voor diezelfde duizend watt zonlicht in de op grafeen gebaseerde zonnecel zou slechts 1,3 watt zijn."

Maar wat grafeen OPV's missen in efficiëntie, ze kunnen potentieel meer dan opleveren in een lagere prijs en, grotere fysieke flexibiliteit. Gomez De Arco denkt dat het uiteindelijk mogelijk zal zijn om drukpersen te laten draaien die uitgestrekte gebieden bedekken met goedkope zonnecellen, net zoals krantenpersen kranten drukken.

"Ze kunnen worden opgehangen als gordijnen in huizen of zelfs tot stof worden gemaakt en worden gedragen als kleding die energie opwekt. Ik kan me voorstellen dat mensen hun mobiele telefoon of muziek-/videoapparaat van stroom voorzien terwijl ze in de zon joggen, " hij zei.

De USC-onderzoekers zeggen dat grafeen-OPV's een grote vooruitgang zouden zijn op ten minste één cruciaal gebied ten opzichte van een rivaliserend OPV-ontwerp, een op basis van indium-tin-oxide (ITO). In de tests van het USC-team ITO-cellen faalden bij een zeer kleine buighoek, terwijl de op grafeen gebaseerde cellen operationeel bleven na herhaald buigen onder veel grotere spanningshoeken. Dit zou de grafeenzonnecellen in sommige toepassingen een beslist voordeel geven, inclusief de door het USC-team voorgestelde bedrukte applicaties.

Zhou en de andere onderzoekers van het USC-team - waaronder Yi Zhang, Cody W. Schlenker, Koungmin Ryu, en Mark E. Thompson naast Gomez de Arco — zijn enthousiast over het potentieel van deze technologie.

Hun paper concludeert dat hun aanpak een aanzienlijke vooruitgang betekent in de richting van de productie van transparante geleidende elektroden in zonnecellen. "CVD-grafeen voldoet aan de belangrijkste criteria van overvloed, goedkoop, geleidbaarheid, stabiliteit, elektrode/organische film compatibiliteit, en flexibiliteit die nodig zijn om ITO in organische fotovoltaïsche energie te vervangen, die belangrijke implicaties kunnen hebben voor toekomstige organische opto-elektronische apparaten."