De meeste inspanningen om zonnecellen te verbeteren, waren gericht op het verhogen van de efficiëntie van hun energieconversie, of op het verlagen van de productiekosten. Maar nu openen MIT-onderzoekers een nieuwe weg voor verbetering, met als doel de dunste en lichtste zonnepanelen te produceren die mogelijk zijn.

dergelijke panelen, die het potentieel hebben om elke andere stof dan uranium van reactorkwaliteit te overtreffen in termen van geproduceerde energie per pond materiaal, kan worden gemaakt van gestapelde vellen van één molecuul dik materiaal zoals grafeen of molybdeendisulfide.

Jeffrey Grossman, de Carl Richard Soderberg Associate Professor of Power Engineering aan het MIT, zegt dat de nieuwe benadering "duwt naar de ultieme energieconversie die mogelijk is uit een materiaal" voor zonne-energie. Grossman is de senior auteur van een nieuw artikel waarin deze benadering wordt beschreven. gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Hoewel wetenschappers de afgelopen jaren veel aandacht hebben besteed aan de mogelijkheden van tweedimensionale materialen zoals grafeen, Grossman zegt, er is weinig onderzoek gedaan naar hun potentieel voor toepassingen op zonne-energie. Het blijkt, hij zegt, "ze zijn niet alleen oké, maar het is verbazingwekkend hoe goed ze het doen."

Door gebruik te maken van twee lagen van zulke atoomdikke materialen, Grossman zegt, zijn team heeft zonnecellen voorspeld met een efficiëntie van 1 tot 2 procent bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit, Dat is laag vergeleken met het rendement van 15 tot 20 procent van standaard siliciumzonnecellen. hij zegt, maar het is bereikt met materiaal dat duizenden keren dunner en lichter is dan tissuepapier. De tweelaagse zonnecel is slechts 1 nanometer dik, terwijl typische siliciumzonnecellen honderdduizenden keren dat kunnen zijn. Het stapelen van meerdere van deze tweedimensionale lagen zou de efficiëntie aanzienlijk kunnen verhogen.

"Het stapelen van een paar lagen kan zorgen voor een hogere efficiëntie, een die concurreert met andere gevestigde zonneceltechnologieën, " zegt Marco Bernardi, een postdoc in de afdeling Materials Science van het MIT, die de hoofdauteur van het artikel was. Maurizia Palmo, een senior onderzoeker aan de Universiteit van Rome die MIT bezoekt via het MISTI Italy-programma, was ook co-auteur.

Voor toepassingen waarbij gewicht een cruciale factor is, zoals in ruimtevaartuigen, luchtvaart of voor gebruik in afgelegen gebieden van de derde wereld waar de transportkosten aanzienlijk zijn - dergelijke lichtgewicht cellen zouden al een groot potentieel kunnen hebben, zegt Bernardi.

Pond voor pond, hij zegt, de nieuwe zonnecellen produceren tot 1, 000 keer meer vermogen dan conventionele fotovoltaïsche cellen. Met een dikte van ongeveer een nanometer (miljardste van een meter) "Het is 20 tot 50 keer dunner dan de dunste zonnecel die vandaag kan worden gemaakt, Grossman vult aan. "Je kunt een zonnecel niet dunner maken."

Deze slankheid is niet alleen voordelig in de scheepvaart, maar ook in het monteren van zonnepanelen. Ongeveer de helft van de kosten van de huidige panelen zit in ondersteunende structuren, installatie, bedrading en controlesystemen, kosten die kunnen worden verminderd door het gebruik van lichtere constructies.

In aanvulling, het materiaal zelf is veel minder duur dan het sterk gezuiverde silicium dat wordt gebruikt voor standaard zonnecellen - en omdat de platen zo dun zijn, ze hebben slechts minuscule hoeveelheden van de grondstoffen nodig.

Het werk van het MIT-team tot nu toe om het potentieel van atoomdikke materialen voor zonne-energie aan te tonen, is "slechts het begin, " zegt Grossman. Ten eerste, molybdeendisulfide en molybdeendiselenide, de materialen die in dit werk zijn gebruikt, zijn slechts twee van de vele 2D-materialen waarvan het potentieel zou kunnen worden bestudeerd, om nog maar te zwijgen van verschillende combinaties van materialen die op elkaar zijn geklemd. "Er is een hele dierentuin van deze materialen die kunnen worden verkend, " zegt Grossman. "Mijn hoop is dat dit werk de weg vrijmaakt voor mensen om op een nieuwe manier over deze materialen na te denken."

Hoewel er op dit moment geen grootschalige methoden bestaan ​​om molybdeendisulfide en molybdeendiselenide te produceren, dit is een actief onderzoeksgebied. Maakbaarheid is "een essentiële vraag, "Grosman zegt, "maar ik denk dat het een oplosbaar probleem is."

Een bijkomend voordeel van dergelijke materialen is hun stabiliteit op lange termijn, zelfs in de open lucht; andere zonnecelmaterialen moeten onder zware en dure glaslagen worden beschermd. "Het is in wezen stabiel in de lucht, onder ultraviolet licht, en in vocht, "zegt Grossman. "Het is erg robuust."

Het werk tot nu toe is gebaseerd op computermodellering van de materialen, Grossman zegt, eraan toevoegend dat zijn groep nu dergelijke apparaten probeert te produceren. "Ik denk dat dit het topje van de ijsberg is wat betreft het gebruik van 2D-materialen voor schone energie", zegt hij.

Het artikel is getiteld "Extraordinary Sunlight Absorption and 1 nm-Thick Photovoltaics using Two-Dimensional Monolayer Materials."

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.