Een veelbelovende aanpak om zonnecellen goedkoop te maken, lichtgewicht en flexibel is om organisch te gebruiken (dat wil zeggen, koolstofhoudende) verbindingen in plaats van dure, sterk gezuiverd silicium. Maar een hardnekkig probleem heeft de ontwikkeling van dergelijke cellen vertraagd:onderzoekers hebben het moeilijk gehad om geschikte materialen te bedenken voor de elektroden om de stroom van en naar de cellen te transporteren. specifiek, het was moeilijk om elektroden te maken met materialen die de flexibiliteit van de organische cellen kunnen evenaren, transparantie en lage kosten.

Het standaardmateriaal dat tot nu toe voor deze elektroden is gebruikt, is indium-tin-oxide, of ITO. Maar indium is duur en relatief zeldzaam, er is dus gezocht naar een geschikte vervanger. Nutsvoorzieningen, een team van MIT-onderzoekers heeft een praktische manier bedacht om een ​​mogelijk alternatief te gebruiken dat is gemaakt van goedkope en alomtegenwoordige koolstof. Het voorgestelde materiaal is grafeen, een vorm van koolstof waarin de atomen een vlakke plaat vormen van slechts één atoom dik, gerangschikt in een kippengaasachtige formatie.

Een analyse van het gebruik van grafeen als elektrode voor dergelijke zonnecellen werd op 17 december gepubliceerd in het tijdschrift Nanotechnologie , in een paper van MIT-professoren Jing Kong en Vladimir Bulović samen met twee van hun studenten en een postdoctoraal onderzoeker.

Grafeen is transparant, zodat de daaruit gemaakte elektroden op de transparante organische zonnecellen kunnen worden aangebracht zonder het invallende licht te blokkeren. In aanvulling, het is flexibel, zoals de organische zonnecellen zelf, het kan dus deel uitmaken van installaties waarbij het paneel de contouren van een constructie moet volgen, zoals een patroondak. ITO, daarentegen, is stijf en broos.

Het grootste probleem om grafeen als elektrode voor organische zonnecellen te laten werken, is om het materiaal aan het paneel te laten hechten. Grafeen stoot water af, dus typische procedures voor het produceren van een elektrode op het oppervlak door het materiaal uit een oplossing af te zetten, zullen niet werken.

Het team probeerde verschillende benaderingen om de oppervlakte-eigenschappen van de cel te veranderen of om andere oplossingen dan water te gebruiken om de koolstof op het oppervlak af te zetten, maar geen van deze presteerde goed, zegt Kong. Maar toen ontdekten ze dat "doping" het oppervlak - dat wil zeggen, het introduceren van een reeks onzuiverheden in het oppervlak - veranderde de manier waarop het zich gedroeg, en liet het grafeen stevig hechten. Als bonus, het bleek dat de doping ook de elektrische geleidbaarheid van het materiaal verbeterde.

Hoewel de specifieke kenmerken van de grafeenelektrode verschillen van die van de ITO die het zou vervangen, zijn algemene prestaties in een zonnecel zijn zeer vergelijkbaar, zegt Kong. En de flexibiliteit en het lichte gewicht van organische zonnecellen met grafeenelektroden zou een verscheidenheid aan verschillende toepassingen kunnen openen die niet mogelijk zouden zijn met de conventionele op silicium gebaseerde zonnepanelen van vandaag. ze zegt. Bijvoorbeeld, vanwege hun transparantie kunnen ze direct op ramen worden aangebracht zonder het zicht te belemmeren, en ze kunnen worden toegepast op onregelmatige wand- of dakoppervlakken. In aanvulling, ze kunnen op andere zonnepanelen worden gestapeld, het verhogen van de hoeveelheid opgewekte stroom uit een bepaald gebied. En ze kunnen zelfs worden opgevouwen of opgerold voor eenvoudig transport.

Terwijl in dit onderzoek werd gekeken hoe grafeen kan worden aangepast om een ​​van de twee elektroden op een zonnepaneel te vervangen, Kong en haar collega's proberen het nu ook aan de andere elektrode aan te passen. In aanvulling, wijdverbreid gebruik van deze technologie vereist nieuwe technieken voor grootschalige productie van grafeen - een gebied van zeer actief onderzoek. Het lopende werk is gefinancierd door het Eni-MIT Alliance Solar Frontiers Center en een NSF-onderzoeksbeurs.

Peter Peumens, een assistent-professor elektrotechniek aan de Stanford University, die niet bij dit onderzoek betrokken was, zegt dat organische zonnecellen waarschijnlijk alleen praktisch zullen worden met de ontwikkeling van transparante elektrodetechnologie die zowel goedkoper als robuuster is dan conventionele metaaloxiden. Andere materialen worden bestudeerd als mogelijke vervangers, hij zegt, maar dit werk vertegenwoordigt een "zeer belangrijke vooruitgang" om van grafeen een geloofwaardige vervangende transparante elektrode te maken.

“Andere groepen hadden al aangetoond dat grafeen goede combinaties van transparantie en velweerstand vertoont, maar niemand was in staat om met grafeenelektroden een prestatie te bereiken die overeenkomt met die van apparaten op conventionele metaaloxide (ITO) elektroden, ’, zegt Peumans. "Dit werk is een substantiële duw in de richting van het maken van grafeen een leidende kandidaat."