Zonne-energie is een van de meest veelbelovende vormen van hernieuwbare energie, maar de hoge kosten van conventionele zonnecellen hebben tot dusverre de populariteit ervan beperkt. Om het concurrentievermogen van zonne-energie te vergroten, wetenschappers hebben zich gericht op de ontwikkeling van kleurstofgevoelige zonnecellen - zonnecellen die goedkope organische kleurstoffen en titaniumdioxide (TiO2) nanodeeltjes gebruiken in plaats van dure halfgeleiders en zeldzame aardelementen om zonlicht te absorberen. Zhaohong Huang van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering en collega's hebben nu de kosten van kleurstofgevoelige zonnecellen nog verder verlaagd door indiumtinoxide (ITO) - het standaardmateriaal voor transparante elektroden - te vervangen door koolstofnanobuisjes.

Een typische kleurstofgevoelige zonnecel bestaat uit een poreuze laag TiO2-nanodeeltjes ondergedompeld in een organische kleurstof. De kleurstof absorbeert het zonlicht en zet de energie om in elektriciteit, die in de TiO2-nanodeeltjes stroomt. De naar de zon gerichte zijde van de zonnecel is meestal bedekt met een transparante elektrode die de ladingsdragers wegvoert van het TiO2 en uit de zonnecel. “Helaas, ITO-elektroden zijn broos en barsten gemakkelijk, ', zegt Huang. "Ze zijn ook duur en kunnen oplopen tot 60% van de totale kosten van de kleurstofgevoelige zonnecel."

Huang en zijn team hebben daarom de ITO-elektrode vervangen door een dunne film van koolstofnanobuisjes. Koolstofnanobuisjes geleiden elektriciteit en zijn bijna transparant, flexibel en sterk, waardoor ze het ideale materiaal zijn voor transparante elektroden. Het enige nadeel is dat door foto gegenereerde ladingsdragers in de nanobuis kunnen recombineren met ionen in de kleurstof, die de energieconversie-efficiëntie van de zonnecel vermindert.

Om dit probleem op te lossen, Huang en zijn team plaatsten een dunne TiO2-film tussen de dunne film van koolstofnanobuisjes en de poreuze laag. Ze ontdekten dat de prestaties van met kleurstof gesensibiliseerde zonnecellen met TiO2-dunne film aanzienlijk beter waren dan die zonder. Echter, ze ontdekten ook dat de zonneconversie-efficiëntie van hun nieuwe kleurstof-gesensibiliseerde zonnecellen slechts 1,8% was, die lager is dan die van conventionele zonnecellen die ITO-elektroden gebruiken. Dit komt door de hogere elektrische weerstanden en verminderde optische transparantie van de koolstof nanobuisfilms, die de hoeveelheid zonlicht die de cel binnenkomt beperkt.

“We bestuderen nu verschillende manieren om de geleidbaarheid en transparantie van de films te verbeteren, ', zegt Huang. “Bovendien, we zijn van plan om de onderste platina-elektrode te vervangen door een dunne film van koolstofnanobuisjes om de kosten van kleurstofgevoelige zonnecellen verder te verlagen.”

Indien succesvol, de resultaten zouden een grote impact kunnen hebben op de kosten en stabiliteit van kleurstofgevoelige zonnecellen.