(Phys.org) -- Door gebruik te maken van de gunstige elektrische en optische eigenschappen van grafeen, en dan een organische dotering toe te voegen, onderzoekers hebben de hoogste energieconversie-efficiëntie tot nu toe bereikt voor een op grafeen gebaseerde zonnecel. De energieconversie-efficiëntie van 1,9% van de niet-gedoteerde apparaten neemt met meer dan vier keer toe tot 8,6% na doping.

De onderzoekers, geleid door Sefaattin Tongay en Arthur F. Hebard aan de Universiteit van Florida in Gainesville, hebben hun studie over de hoogrenderende grafeenzonnecellen gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

“Hier, niet alleen hebben we geprofiteerd van de prachtige optische transparantie van grafeen, maar we hebben ook de elektrische weerstand van grafeen verminderd door het Fermi-niveau van grafeen aan te passen met behulp van een goedkope en milieustabiele organische coatinglaag, ” vertelde Tongay Phys.org . “Tijdens deze stap De natuur was ons gunstig gezind door een hogere rectificatie en elektrisch veld op het grensvlak op te leveren, het rendement van de zonnecel verder verbeteren.”

In de nieuwe zonnecellen een enkele laag grafeen bovenop een siliciumwafel dient als Schottky-junctie, het hoofdbestanddeel van eenvoudige fotovoltaïsche apparaten genaamd Schottky-junctiezonnecellen.

Onder verlichting, elektron-gatparen worden gefotogenereerd in het silicium. De door foto gegenereerde elektronen en gaten worden gescheiden door de ingebouwde elektrische potentiaal van de Schottky-junctie en verzameld door de tegengesteld geladen grafeen- en halfgeleidercontacten. Deze eenrichtingsstroom van stroom (elektronen die in de ene richting stromen en gaten in de andere) is een bepalende eigenschap van de Schottky-junctie en maakt het mogelijk om vermogen van het apparaat te genereren.

Hoewel in het verleden op grafeen gebaseerde Schottky-junctie-zonnecellen zijn aangetoond, hier deden de onderzoekers een extra stap en doopten ze het grafeen met het organisch chemische TFSA met behulp van een eenvoudige spin-casting-methode.

Door doping konden de onderzoekers het Fermi-niveau van grafeen aanpassen (een maat voor de potentiële energie van elektronen), wat resulteerde in twee veranderingen die de algehele efficiëntie van de zonnecellen verbeterden:een vermindering van de weerstand van het grafeen en een toename van het ingebouwde potentieel van de zonnecel, wat leidt tot een efficiëntere scheiding van de door de geabsorbeerde fotonen gegenereerde elektron-gatparen.

Met hun 8,6% efficiëntie, de gedoteerde apparaten zorgen voor een aanzienlijke efficiëntieverbetering ten opzichte van andere op grafeen gebaseerde Schottky-junctie-zonnecellen, die tot nu toe een efficiëntie van de stroomconversie hebben aangetoond, variërend van 0,1% tot 2,86%.

Vergeleken met Schottky-junctie-zonnecellen die indiumtinoxide gebruiken, degenen die grafeen gebruiken, hebben verschillende voordelen. Bijvoorbeeld, het vermogen om de eigenschappen van grafeen af ​​te stemmen, stelt onderzoekers in staat om de efficiëntie van zonnecellen te optimaliseren en de grafeenlaag op andere halfgeleiders dan silicium te gebruiken.

De onderzoekers hopen dat de hier gebruikte methoden, die eenvoudig en schaalbaar zijn, kan in de toekomst leiden tot verdere apparaatverbeteringen en praktische toepassingen.

“We verwachten dat de efficiëntie verder kan worden verbeterd door de interface te engineeren, het gebruik van verschillende organische coatinglagen die hogere dopingeffecten opleveren, verbetering van de grafeenkwaliteit en de grafeenoverdrachtsprocedure, gebruik van antireflectielagen, en tal van andere methoden die bekend zijn bij de zonnecelgemeenschap, ' zei Tongay. "Dit is nog maar een begin."

Hebard voegde eraan toe dat verdere ontdekkingen van grafeenfysica zouden moeten leiden tot efficiëntere en goedkopere zonnecellen.

“Onze beschreven verhoging van de energieconversie-efficiëntie met de eenvoudige toepassing van een stabiele organische bovenlaag is slechts een begin, ' zei hij. “Grafeen en zijn derivaten blijven ons verrassen met ongebruikelijke eigenschappen (sterkte, flexibiliteit, diffusie barrière, afstembare Fermi-energie, lineair elektronisch spectrum, enzovoort). Verdere vooruitgang zal komen met een dieper begrip van de fysica van hoe inkomende fotonen efficiënt elektronen en gaten creëren, die vervolgens worden gescheiden en verzameld in onze beschreven configuratie. Deze kennis zou van toepassing moeten zijn op het vinden van alternatieve substraten voor silicium (denk aan organische stoffen en polymeren), die minder duur zijn en op grote oppervlakken kunnen worden toegepast.

“Het is duidelijk dat onderzoek naar grafeen en zijn derivaten al in het zonlicht staat; we verwachten dat ons werk aan zonnecellen het daar zal houden.”

Copyright 2012 Phys.Org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.