Onderzoekers van de Northwestern University hebben een op koolstof gebaseerd materiaal ontwikkeld dat een revolutie teweeg kan brengen in de manier waarop zonne-energie wordt geoogst. Het nieuwe zonnecelmateriaal - een transparante geleider gemaakt van koolstofnanobuisjes - biedt een alternatief voor de huidige technologie, die mechanisch bros is en afhankelijk is van een relatief zeldzaam mineraal.

Door de overvloed aan koolstof op aarde, koolstofnanobuisjes hebben het potentieel om de levensvatbaarheid van zonne-energie op lange termijn te vergroten door een kostenefficiënte optie te bieden naarmate de vraag naar de technologie toeneemt. In aanvulling, de mechanische flexibiliteit van het materiaal zou het mogelijk maken zonnecellen te integreren in stoffen en kleding, het mogelijk maken van draagbare energievoorzieningen die van invloed kunnen zijn op alles, van persoonlijke elektronica tot militaire operaties.

Het onderzoek, onder leiding van Mark C. Hersam, hoogleraar materiaalkunde en techniek en hoogleraar scheikunde, en Tobin J. Marks, Vladimir N. Ipatieff hoogleraar katalytische chemie en hoogleraar materiaalkunde en techniek, staat op de omslag van het oktobernummer van 2011 Geavanceerde energiematerialen , een nieuw tijdschrift dat gespecialiseerd is in wetenschap over materialen die worden gebruikt in energietoepassingen.

Zonnecellen bestaan ​​uit verschillende lagen, inclusief een transparante geleiderlaag die licht de cel in laat gaan en elektriciteit naar buiten laat; om beide acties te laten plaatsvinden, de geleider moet zowel elektrisch geleidend als ook optisch transparant zijn. Er zijn maar weinig materialen die beide eigenschappen tegelijkertijd bezitten.

Momenteel, indiumtinoxide is het dominante materiaal dat wordt gebruikt in transparante geleidertoepassingen, maar het materiaal heeft twee potentiële beperkingen. Indiumtinoxide is mechanisch bros, wat het gebruik ervan in toepassingen die mechanische flexibiliteit vereisen uitsluit. In aanvulling, Indiumtinoxide is afhankelijk van het relatief zeldzame element indium, dus de verwachte toegenomen vraag naar zonnecellen zou de prijs van indium naar problematisch hoge niveaus kunnen duwen.

"Als zonnetechnologie echt wijdverbreid wordt, zoals iedereen hoopt, we zullen waarschijnlijk een crisis hebben in de aanvoer van indium, "Zei Hersam. "Er is een grote wens om materialen te identificeren - met name aardrijke elementen zoals koolstof - die de plaats van indium in zonnetechnologie kunnen innemen."

Het team van Hersam en Marks heeft een alternatief voor indiumtinoxide gecreëerd met behulp van enkelwandige koolstofnanobuisjes. klein, holle cilinders van koolstof met een diameter van slechts één nanometer.

De onderzoekers zijn verder gegaan om te bepalen welk type nanobuis het meest effectief is in transparante geleiders. De eigenschappen van nanobuisjes variëren afhankelijk van hun diameter en hun chirale hoek, de hoek die de rangschikking van koolstofatomen langs de lengte van de nanobuis beschrijft. Deze eigenschappen bepalen twee soorten nanobuisjes:metallisch en halfgeleidend.

metalen nanobuisjes, vonden de onderzoekers, zijn 50 keer effectiever dan halfgeleidende bij gebruik als transparante geleiders in organische zonnecellen.

"We hebben nu precies het type koolstofnanobuis geïdentificeerd dat in deze toepassing moet worden gebruikt, ' zei Hersam.

Omdat koolstofnanobuisjes flexibel zijn, in tegenstelling tot het brosse indiumtinoxide, de bevindingen van de onderzoekers kunnen de weg vrijmaken voor veel nieuwe toepassingen in zonnecellen. Bijvoorbeeld, het leger zou de flexibele zonnecellen in tentmateriaal kunnen opnemen om direct zonne-energie te leveren aan soldaten in het veld, of de cellen kunnen worden geïntegreerd in kleding, rugzakken, of portemonnees voor draagbare elektronica.

"Met deze mechanisch flexibele technologie, het is veel gemakkelijker voor te stellen zonnetechnologie in het dagelijks leven te integreren, in plaats van een grote, inflexibele zonnecel, ' zei Hersam.

Onderzoekers onderzoeken nu andere lagen van de zonnecel om deze ook te vervangen door op koolstof gebaseerde nanomaterialen.