(Phys.org)—Stanford University-wetenschappers hebben de eerste zonnecel gebouwd die volledig van koolstof is gemaakt, een veelbelovend alternatief voor de dure materialen die tegenwoordig in fotovoltaïsche apparaten worden gebruikt.

De resultaten zijn gepubliceerd in de online editie van het tijdschrift op 31 oktober ACS Nano .

"Carbon heeft het potentieel om hoge prestaties te leveren tegen lage kosten, " zei senior auteur Zhenan Bao, een professor in de chemische technologie aan de Stanford. "Voor zover wij weten, dit is de eerste demonstratie van een werkende zonnecel die alle componenten van koolstof heeft. Deze studie bouwt voort op eerder werk dat in ons laboratorium is gedaan."

In tegenstelling tot stijve siliciumzonnepanelen die veel daken sieren, Het dunne-filmprototype van Stanford is gemaakt van koolstofmaterialen die met een oplossing kunnen worden gecoat. "Misschien kunnen we in de toekomst kijken naar alternatieve markten waar flexibele koolstofzonnecellen worden gecoat op het oppervlak van gebouwen, op ramen of op auto's om elektriciteit op te wekken, ' zei Bao.

De coatingtechniek heeft ook het potentieel om de productiekosten te verlagen, zei Stanford-student Michael Vosgueritchian, co-hoofdauteur van de studie met postdoctoraal onderzoeker Marc Ramuz.

"Het verwerken van zonnecellen op basis van silicium vereist veel stappen, "Vosgueritchian legde uit. "Maar ons hele apparaat kan worden gebouwd met behulp van eenvoudige coatingmethoden waarvoor geen dure gereedschappen en machines nodig zijn."

Koolstof nanomaterialen

De experimentele zonnecel van de Bao-groep bestaat uit een fotoactieve laag, die zonlicht absorbeert, ingeklemd tussen twee elektroden. In een typische dunnefilmzonnecel, de elektroden zijn gemaakt van geleidende metalen en indiumtinoxide (ITO). "Materialen zoals indium zijn schaars en worden duurder naarmate de vraag naar zonnecellen, touchscreen-panelen en andere elektronische apparaten groeien, ' zei Bao. 'Koolstof, anderzijds, is goedkoop en rijk aan aarde."

Voor de studie, Bao en haar collega's vervingen het zilver en ITO dat in conventionele elektroden wordt gebruikt door grafeen - koolstofplaten van één atoom dik - en enkelwandige koolstofnanobuizen van 10, 000 keer smaller dan een mensenhaar. "Koolstofnanobuisjes hebben buitengewone elektrische geleidbaarheid en lichtabsorberende eigenschappen, ' zei Bao.

Voor de actieve laag de wetenschappers gebruikten materiaal gemaakt van koolstofnanobuisjes en "buckyballs" - voetbalvormige koolstofmoleculen met een diameter van slechts één nanometer. Het onderzoeksteam heeft onlangs een patent aangevraagd voor het hele apparaat.

"Elk onderdeel in onze zonnecel, van boven naar beneden, is gemaakt van koolstofmaterialen, "Zei Vosgueritchian. "Andere groepen hebben gemeld dat ze volledig koolstofzonnecellen maken, maar ze hadden het alleen over de actieve laag in het midden, niet de elektroden."

Een nadeel van het volledig uit koolstof bestaande prototype is dat het voornamelijk nabij-infrarode golflengten van licht absorbeert, bijdragen aan een laboratoriumrendement van minder dan 1 procent – ​​veel lager dan in de handel verkrijgbare zonnecellen. "We hebben duidelijk nog een lange weg te gaan op het gebied van efficiëntie, " zei Bao. "Maar met betere materialen en betere verwerkingstechnieken, we verwachten dat de efficiëntie behoorlijk zal stijgen."

Verbetering van de efficiëntie

Het Stanford-team bekijkt verschillende manieren om de efficiëntie te verbeteren. "Ruwheid kan het apparaat kortsluiten en het moeilijk maken om de stroom op te vangen, "Zei Bao. "We moeten uitvinden hoe we elke laag heel glad kunnen maken door de nanomaterialen heel goed te stapelen."

De onderzoekers experimenteren ook met koolstofnanomaterialen die meer licht kunnen absorberen in een breder bereik van golflengten, inclusief het zichtbare spectrum.

"Materialen van carbon zijn zeer robuust, " zei Bao. "Ze blijven stabiel bij luchttemperaturen van bijna 1, 100 graden Fahrenheit."

Het vermogen van koolstofzonnecellen om onder extreme omstandigheden beter te presteren dan conventionele apparaten, zou de behoefte aan meer efficiëntie kunnen wegnemen, volgens Vosgueritchian. "Wij geloven dat volledig koolstof zonnecellen kunnen worden gebruikt in extreme omgevingen, zoals bij hoge temperaturen of bij hoge fysieke belasting, " zei hij. "Maar we willen natuurlijk de hoogst mogelijke efficiëntie en werken aan manieren om ons apparaat te verbeteren."

"Fotovoltaïsche energie zal zeker een zeer belangrijke energiebron zijn die we in de toekomst zullen aanboren, " zei Bao. "We hebben veel zonlicht beschikbaar. We moeten een manier vinden om deze natuurlijke hulpbron te gebruiken die ons is gegeven."