(Phys.org) - In een benadering die silicium als het belangrijkste fotovoltaïsche celmateriaal zou kunnen uitdagen, Materiaalingenieurs van de University of Wisconsin-Madison hebben een goedkope zonnecel ontwikkeld die koolstofnanobuizen gebruikt om energie van de zon te absorberen en om te zetten.

De opmars kan ertoe leiden dat zonnepanelen net zo efficiënt zijn, maar veel goedkoper om te vervaardigen, dan de huidige panelen.

De proof-of-concept koolstof nanobuis zonnecel kan bijna 75 procent van het licht dat het absorbeert omzetten in elektriciteit, zegt Michael Arnold, een assistent-professor materiaalkunde en engineering aan UW-Madison en een pionier in het ontwikkelen van op koolstof nanobuisjes gebaseerde materialen voor zonne-energietoepassingen. "We hebben een heel fundamentele belangrijke stap gezet door aan te tonen dat het ooit mogelijk zal zijn om deze nieuwe koolstofnanobuisjesmaterialen voor zonnecellen te gebruiken, " hij zegt.

Arnold en PhD-student Matthew Shea beschreven de ontwikkeling in een paper dat op 17 juni werd gepubliceerd, 2013, in de online editie van het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

Silicium is overvloedig en een efficiënte zonne-energieverzamelaar, maar is duur om te verwerken en te produceren tot zonnepanelen. Als resultaat, onderzoekers bestuderen alternatieve materialen, waaronder koolstof nanobuisjes.

Recente ontwikkelingen hebben onderzoekers een grotere mate van controle gegeven over de chemische samenstelling van koolstofnanobuisjes, wat op zijn beurt de deur heeft geopend voor talloze toepassingen. De dunne spaghetti-achtige buizen zijn gemakkelijk en goedkoop te vervaardigen, stabiel en duurzaam, en zijn zowel goede lichtabsorbeerders als elektrische geleiders.

Veel van de huidige onderzoekscentra voor koolstofnanobuisjes op zonnecellen draaien om bewezen zonnecelmaterialen die gemengde nanobuisjes gebruiken om de elektrische lading te geleiden. "Dat gebruikt slechts de helft van de mogelijkheden die nanobuisjes bieden, " zegt Arnoldus, wiens eerdere werk met koolstofnanobuizen voor transistors hem inspireerde om toepassingen in zonne-energie te verkennen.

Voortbouwend op een half decennium aan onderzoek - inclusief fundamentele studies door promovendus Dominick Bindl - ontwikkelden Arnold en Shea een zonnecel die koolstofnanobuisjes gebruikt om licht op te vangen en om te zetten in elektriciteit. "We beginnen vanaf de grond en proberen een hoog rendement uit de nanobuisjes te halen, ", zegt Arnold. "We proberen zoveel mogelijk stroomconversie uit ons materiaal te halen, en dat is het unieke aan ons werk."

Eigenlijk, de proof-of-concept zonnecel is een ultradunne plaat, of filmen, van koolstof nanobuisjes gelaagd bovenop een ander dun vel van een materiaal genaamd buckminsterfullereen, of C ₆₀ . De nanobuisjes absorberen het grootste deel van het zonlicht en behouden de positieve lading, terwijl de C ₆₀ trekt de negatieve lading.

Zonnecelefficiëntie is het percentage zonne-energie dat op een cel schijnt dat de cel daadwerkelijk omzet in elektrische energie. Toen Arnold en zijn studenten vijf jaar geleden met dit onderzoek begonnen, hun zonnecellen bereikten een energieconversie-efficiëntie van slechts ongeveer een miljoenste van een procent. Tegenwoordig is hun proof of concept - in tegenstelling tot het gemiddelde rendement van 15 procent van conventionele siliciumzonnecellen - 1 procent efficiënt.

Hoewel dat aantal misschien laag lijkt, Arnold is optimistisch dat het kan stijgen - deels omdat de zonnestralende koolstofnanobuisjeslaag van de proof-of-concept-zonnecel slechts een paar atomen dik is. En, de cel zet ongeveer 75 procent van het zonlicht dat het absorbeert om in elektriciteit. "Van het licht dat wordt geabsorbeerd, we zetten het meeste om, " zegt Arnoldus.

De volgende stap in het verhogen van die efficiëntie is al aan de gang. De onderzoekers concentreren zich nu op het vergroten van de dikte van de dunne film van koolstofnanobuisjes van slechts 5 nanometer tot minstens 100 - wat, volgens hun theoretische modellen, uiteindelijk de energieconversie-efficiëntie van hun zonnecellen in lijn kunnen brengen met die van siliciumcellen. "Wat ons werk laat zien, is dat je uiteindelijk een zo hoog rendement als silicium kunt krijgen, en daarom zijn we enthousiast, " zegt Arnoldus.