Bossen van koolstofnanobuisjes zijn een efficiënt alternatief voor platina-elektroden in kleurstofgevoelige zonnecellen (DSC), volgens nieuw onderzoek door medewerkers van Rice University en Tsinghua University.

De enkelwandige nanobuis-arrays, geteeld in een proces uitgevonden bij Rice, zijn beide veel meer elektroactief en mogelijk goedkoper dan platina, een veel voorkomende katalysator in DSC's, zei Jun Lou, een materiaalwetenschapper bij Rice. In combinatie met nieuw ontwikkelde sulfide-elektrolyten gesynthetiseerd in Tsinghua, ze zouden kunnen leiden tot efficiëntere en robuustere zonnecellen tegen een fractie van de huidige kosten voor traditionele zonnecellen op basis van silicium.

Lou en co-hoofdonderzoeker Hong Lin, een professor in materiaalkunde en techniek aan Tsinghua, gedetailleerd hun werk in de online, vrije toegang Natuur logboek Wetenschappelijke rapporten deze week.

DSC's zijn gemakkelijker te vervaardigen dan op silicium gebaseerde solid-state fotovoltaïsche cellen, maar niet zo efficiënt, zei Lou, een assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde. "DSC's worden gesensibiliseerd met kleurstoffen, idealiter organische kleurstoffen zoals de sappen van bessen - die sommige studenten daadwerkelijk hebben gebruikt in demonstraties."

Kleurstoffen absorberen fotonen uit zonlicht en genereren een lading in de vorm van elektronen, die eerst worden opgevangen door een halfgeleidende titaniumoxidelaag die is afgezet op een stroomcollector voordat deze via een andere stroomcollector terugvloeit naar de tegenelektrode. Er is vooruitgang geboekt bij de vervaardiging van DSC's die een op jodium gebaseerde elektrolyt bevatten, maar jodium heeft de neiging om metalen stroomcollectoren te corroderen, die "een uitdaging vormt voor zijn betrouwbaarheid op lange termijn, ' zei Lou.

Jodiumelektrolyt heeft ook de ongelukkige neiging om licht in de zichtbare golflengten te absorberen, "wat betekent dat er minder fotonen kunnen worden gebruikt, ' zei Lou.

Dus Tsinghua-onderzoekers besloten om een ​​niet-corrosieve, op sulfide gebaseerde elektrolyt die weinig zichtbaar licht absorbeert en goed werkt met de enkelwandige koolstof nanobuis tapijten gemaakt in het Rice lab van Robert Hauge, een co-auteur van het artikel en een vooraanstaande faculteitsgenoot in de chemie aan het Richard E. Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology van Rice.

"Dit zijn zeer veelzijdige materialen, "Zei Lou. "Enkelwandige koolstofnanobuisjes bestaan ​​al heel lang bij Rice, en mensen hebben veel verschillende manieren gevonden om ze te gebruiken. Dit is een andere manier die zeer goed overeenkomt met een op sulfide gebaseerde elektrolyt in DSC-technologie."

Zowel Rice als Tsinghua bouwden werkende zonnecellen, met vergelijkbare resultaten. Ze waren in staat om een ​​stroomconversie-efficiëntie van 5,25 procent te bereiken - lager dan het DSC-record van 11 procent met jodiumelektrolyten en een platina-elektrode, maar aanzienlijk hoger dan een controletest die de nieuwe elektrolyt combineerde met een traditionele platina-tegenelektrode. De weerstand tussen de nieuwe elektrolyt en de tegenelektrode is "de laagste die we ooit hebben gezien, ' zei Lou.

Er is veel werk te doen, echter. "De koolstof nanobuis-naar-stroomcollector heeft nog steeds een behoorlijk grote contactweerstand, en de effecten van structurele defecten in koolstofnanobuisjes op hun overeenkomstige katalytische prestaties worden niet volledig begrepen, maar we geloven dat als we alles hebben geoptimaliseerd, we gaan een behoorlijke efficiëntie krijgen en het geheel zeer betaalbaar maken, " zei Lou. "De echte aantrekkingskracht is dat het een zeer goedkoop alternatief zal zijn voor op silicium gebaseerde zonnecellen."