MIT-onderzoekers hebben een nieuw soort fotovoltaïsche cel geproduceerd op basis van vellen flexibel grafeen bedekt met een laag nanodraden. De aanpak kan leiden tot goedkope, transparante en flexibele zonnecellen die op ramen kunnen worden ingezet, daken of andere oppervlakken.

De nieuwe aanpak wordt gedetailleerd beschreven in een rapport gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , co-auteur van MIT-postdocs Hyesung Park en Sehoon Chang, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek Silvija Gradečak, en acht andere MIT-onderzoekers.

Terwijl de meeste van de huidige zonnecellen van silicium zijn gemaakt, deze blijven duur omdat het silicium over het algemeen sterk wordt gezuiverd en vervolgens wordt verwerkt tot kristallen die in dunne plakjes worden gesneden. Veel onderzoekers onderzoeken alternatieven, zoals nanogestructureerde of hybride zonnecellen; In deze nieuwe zonnecellen wordt indiumtinoxide (ITO) als transparante elektrode gebruikt.

"Momenteel, ITO is het materiaal bij uitstek voor transparante elektroden, "Gradečak zegt, zoals in de aanraakschermen die nu op smartphones worden gebruikt. Maar het indium dat in die verbinding wordt gebruikt, is duur, terwijl grafeen is gemaakt van alomtegenwoordige koolstof.

Het nieuwe materiaal, Gradečak zegt, kan een alternatief zijn voor ITO. Naast de lagere kosten, het biedt andere voordelen, inclusief flexibiliteit, laag gewicht, mechanische sterkte en chemische robuustheid.

Het bouwen van halfgeleidende nanostructuren direct op een ongerept grafeenoppervlak zonder afbreuk te doen aan de elektrische en structurele eigenschappen was een uitdaging vanwege de stabiele en inerte structuur van grafeen, Gradečak legt uit. Dus haar team gebruikte een reeks polymeercoatings om de eigenschappen te wijzigen, waardoor ze er een laag zinkoxide-nanodraden aan kunnen hechten, en dan een overlay van een materiaal dat reageert op lichtgolven - ofwel loodsulfide kwantumstippen of een soort polymeer genaamd P3HT.

Ondanks deze aanpassingen, Gradečak zegt, de aangeboren eigenschappen van grafeen blijven intact, het verschaffen van significante voordelen in het resulterende hybride materiaal.

"We hebben aangetoond dat apparaten op basis van grafeen een vergelijkbare efficiëntie hebben als ITO, " zegt ze - in het geval van de quantum-dot-overlay, een algehele stroomconversie-efficiëntie van 4,2 procent - minder dan de efficiëntie van siliciumcellen voor algemeen gebruik, maar concurrerend voor gespecialiseerde toepassingen. "We zijn de eersten die grafeen-nanodraad-zonnecellen demonstreren zonder de prestaties van het apparaat op te offeren."

In aanvulling, in tegenstelling tot de groei bij hoge temperatuur van andere halfgeleiders, een oplossingsgericht proces om zinkoxide-nanodraden op grafeenelektroden af ​​te zetten, kan volledig worden uitgevoerd bij temperaturen onder de 175 graden Celsius, zegt Chang, een postdoc in het Department of Materials Science and Engineering (DMSE) van MIT en een hoofdauteur van het artikel. Silicium zonnecellen worden typisch verwerkt bij aanzienlijk hogere temperaturen.

Het productieproces is zeer schaalbaar, voegt Park toe, de andere hoofdauteur en een postdoc in DMSE en in MIT's Department of Electrical Engineering and Computer Science. Het grafeen wordt gesynthetiseerd via een proces dat chemische dampafzetting wordt genoemd en vervolgens gecoat met de polymeerlagen. "De grootte is geen beperkende factor, en grafeen kan worden overgebracht op verschillende doelsubstraten zoals glas of plastic, ' zegt Parket.

Gradečak waarschuwt dat hoewel de schaalbaarheid voor zonnecellen nog niet is aangetoond - zij en haar collega's hebben alleen proof-of-concept-apparaten van een halve inch groot gemaakt - ze geen obstakels ziet voor het maken van grotere formaten. "Ik geloof dat we binnen een paar jaar [commerciële] apparaten kunnen zien", gebaseerd op deze technologie, ze zegt.

Laszlo Forró, een professor aan de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, in Zwitserland, die niet bij dit onderzoek betrokken was, zegt dat het idee om grafeen als transparante elektrode te gebruiken "al in de lucht hing, " maar was eigenlijk niet gerealiseerd.

"Naar mijn mening is dit werk een echte doorbraak, " zegt Forró. "Uitstekend werk in elk opzicht."

Hij waarschuwt dat "de weg nog lang is om tot echte toepassingen te komen, er zijn veel problemen op te lossen, " maar voegt eraan toe dat "de kwaliteit van het onderzoeksteam rond dit project ... het succes garandeert."

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.