Ongeveer 40 procent van de zonne-energie die het aardoppervlak bereikt, bevindt zich in het nabij-infrarode gebied van het spectrum - energie die conventionele op silicium gebaseerde zonnecellen niet kunnen benutten. Maar een nieuw soort volledig koolstof-zonnecel ontwikkeld door MIT-onderzoekers zou die ongebruikte energie kunnen aanboren, het openen van de mogelijkheid van gecombineerde zonnecellen - met zowel traditionele op silicium gebaseerde cellen als de nieuwe volledig koolstofcellen - die gebruik kunnen maken van bijna het volledige bereik van de energie van zonlicht.

“Het is een fundamenteel nieuw soort fotovoltaïsche cel, " zegt Michael Strano, de Charles en Hilda Roddey Professor of Chemical Engineering aan het MIT en senior auteur van een paper over het nieuwe apparaat dat deze week in het tijdschrift werd gepubliceerd Geavanceerde materialen .

De nieuwe cel is gemaakt van twee exotische vormen van koolstof:koolstofnanobuisjes en C60, ook wel bekend als buckyballs. “Dit is de eerste volledig koolstof fotovoltaïsche cel, " zegt Strano - een prestatie die mogelijk is gemaakt door nieuwe ontwikkelingen in de grootschalige productie van gezuiverde koolstofnanobuisjes. “Het is pas de laatste paar jaar mogelijk geweest om iemand een flacon met slechts één type koolstofnanobuis te overhandigen, ' zegt hij. Om de nieuwe zonnecellen te laten werken, de nanobuisjes moeten heel zuiver zijn, en van een uniform type:enkelwandig, en allemaal van slechts één van de twee mogelijke symmetrische configuraties van nanobuisjes.

Andere groepen hebben fotovoltaïsche (PV) cellen gemaakt met behulp van koolstofnanobuizen, maar alleen door een laag polymeer te gebruiken om de nanobuisjes op hun plaats te houden en de elektronen te verzamelen die losgeslagen worden wanneer ze zonlicht absorberen. Maar die combinatie voegt extra stappen toe aan het productieproces, en vereist extra coatings om degradatie bij blootstelling aan lucht te voorkomen. De nieuwe all-carbon PV-cel lijkt stabiel te zijn in de lucht, zegt Strano.

De op koolstof gebaseerde cel is het meest effectief in het opvangen van zonlicht in het nabij-infraroodgebied. Omdat het materiaal transparant is voor zichtbaar licht, dergelijke cellen kunnen over conventionele zonnecellen worden gelegd, het creëren van een tandemapparaat dat de meeste energie van zonlicht kan benutten. De koolstofcellen moeten worden verfijnd, Strano en zijn collega's zeggen:Tot nu toe, de vroege proof-of-concept-apparaten hebben een energieconversie-efficiëntie van slechts ongeveer 0,1 procent.

Maar hoewel het systeem verder onderzoek en finetuning vereist, “we zijn hard op weg om zeer efficiënte nabij-infraroodzonnecellen te maken, ” zegt Rishabh Jain, een afgestudeerde student die hoofdauteur van het papier was.

Omdat het nieuwe systeem lagen van materialen op nanoschaal gebruikt, het produceren van de cellen zou relatief kleine hoeveelheden sterk gezuiverde koolstof vereisen, en de resulterende cellen zouden erg licht van gewicht zijn, zegt het team. “Een van de echt leuke dingen van koolstofnanobuisjes is dat hun lichtabsorptie erg hoog is, dus je hebt niet veel materiaal nodig om veel licht op te vangen, ' zegt Jaïn.

Typisch, wanneer een nieuw zonnecelmateriaal wordt bestudeerd, er zijn grote inefficiënties, die onderzoekers geleidelijk manieren vinden om te verminderen. In dit geval, postdoc en co-auteur Kevin Tvrdy zegt:sommige van deze bronnen van inefficiëntie zijn al geïdentificeerd en aangepakt:wetenschappers weten al dat heterogene mengsels van koolstofnanobuisjes veel minder efficiënt zijn dan homogene formuleringen, en materiaal dat een mix van enkelwandige en meerwandige nanobuisjes bevat, is zo veel minder efficiënt dat ze soms helemaal niet werken, hij zegt.

“Het is ons vrij duidelijk wat er moet gebeuren om de efficiëntie te verhogen, ' zegt Jaïn. Een gebied dat de MIT-onderzoekers nu onderzoeken, is een nauwkeurigere controle over de exacte vorm en dikte van de materiaallagen die ze produceren, hij zegt.

Het team hoopt dat andere onderzoekers zich zullen aansluiten bij het zoeken naar manieren om hun systeem te verbeteren, zegt Jaïn. “Het is een heel modelsysteem, "zegt hij, “en andere groepen zullen helpen om de efficiëntie te verhogen.”

Maar Strano wijst erop dat aangezien het nabij-infrarode deel van het zonnespectrum momenteel volledig ongebruikt wordt door typische zonnecellen, zelfs een cel met een laag rendement die in die regio werkt, kan de moeite waard zijn zolang de kosten laag zijn. "Als je zelfs maar een deel van het nabij-infraroodspectrum zou kunnen benutten, het voegt waarde toe, ' zegt hij.

Strano voegt eraan toe dat een van de anonieme peer reviewers van het artikel opmerkte dat het bereiken van een infraroodabsorberende op koolstof gebaseerde fotovoltaïsche cel zonder polymeerlagen de realisatie is van "een droom voor het veld".

Michaël Arnoldus, een assistent-professor materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Wisconsin in Madison die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt, "Koolstofnanobuisjes bieden verleidelijke mogelijkheden om de efficiëntie van zonnecellen te verhogen en zijn een beetje zoals fotovoltaïsche polymeren op steroïden." hij zegt, "is opwindend omdat het fotovoltaïsche energieconversie demonstreert met behulp van een actieve laag die volledig is gemaakt van koolstof." Hij voegt eraan toe, "Dit lijkt een veelbelovende richting die het uiteindelijk mogelijk zal maken om de belofte van nanobuisjes vollediger te benutten."

Het werk omvatte ook MIT-afgestudeerde studenten Rachel Howden, Steven Shimizu en Andrew Hilmer; postdoc Thomas McNicholas; en professor in de chemische technologie Karen Gleason. Het werd ondersteund door het Italiaanse bedrijf Eni via het MIT Energy Initiative, evenals de National Science Foundation en het ministerie van Defensie door middel van beurzen voor afgestudeerden aan Jain en Howden, respectievelijk.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.