Aansteker, flexibeler, en goedkoper dan conventionele zonnecelmaterialen, koolstofnanobuizen (CNT's) zijn al lang veelbelovend voor fotovoltaïsche energie. Maar het onderzoek liep vast toen CNT's inefficiënt bleken te zijn, veel minder zonlicht omzetten in stroom dan andere methoden.

Nu een onderzoeksteam onder leiding van Mark Hersam, hoogleraar materiaalkunde en engineering en de Bette en Neison Harris Chair of Teaching Excellence aan de McCormick School of Engineering van de Northwestern University, heeft een nieuw type CNT-zonnecel gecreëerd die twee keer zo efficiënt is als zijn voorgangers. Het is ook de eerste CNT-zonnecel waarvan de prestaties zijn gecertificeerd door het National Renewable Energy Laboratory.

"Het veld zweefde al ongeveer tien jaar rond de 1% efficiëntie; het was echt afgevlakt, "Zei Hersam. "Maar we hebben het kunnen verhogen tot meer dan 3 procent. Het is een flinke sprong."

Het onderzoek wordt beschreven in het artikel "Polychiral Semiconducting Carbon Nanotube-Fullerene Solar Cells" in het nummer van 7 augustus van Nano-letters .

Het geheim ligt in de chiraliteit van de CNT's, wat een combinatie is van de diameter en draaiing van de buizen. Wanneer een dunne laag koolstof in een nanobuis wordt gerold, enkele honderden verschillende chiraliteiten zijn mogelijk. Vroeger, onderzoekers hadden de neiging om één bepaalde chiraliteit met goede halfgeleidende eigenschappen te kiezen en daaruit een hele zonnecel te bouwen.

"Het probleem is dat elke chiraliteit van nanobuisjes slechts een smal bereik van optische golflengten absorbeert, "Zei Hersam. "Als je een zonnecel maakt van een enkele chiraliteit koolstofnanobuisje, je gooit eigenlijk het meeste van het zonnelicht weg."

Het team van Hersam maakte een mengsel van polychirale, of meervoudige chiraliteit, halfgeleidende nanobuisjes. Dit maximaliseerde de hoeveelheid fotostroom die werd geproduceerd door een breder bereik van zonnespectrumgolflengten te absorberen. De cellen absorbeerden aanzienlijk nabij-infrarode golflengten, een reeks die ontoegankelijk was voor veel toonaangevende dunnefilmtechnologieën.

Hoewel dit een grote vooruitgang is voor CNT-zonnecellen, ze lopen nog steeds achter op andere materialen in efficiëntie. Silicium, bijvoorbeeld, kan 15-20 procent efficiënt zijn, maar het is duurder om te produceren. "Als je kijkt naar onze prestaties, er is zeker een grote sprong, "Zei Hersam. "Maar er is meer werk aan de winkel. We moeten deze technologie nog een factor drie tot vijf vooruithelpen."

Hersam zei dat de volgende stap is om polychirale CNT-zonnecellen te maken met meerdere lagen. Elke laag zou worden geoptimaliseerd voor een bepaald deel van het zonnespectrum en, dus, meer licht absorberen. Hij zei dat ze ook andere materialen zouden kunnen bevatten, zoals organische of anorganische halfgeleiders, om CNT's aan te vullen.

"Wat we willen doen is elk foton van de zon absorberen en omzetten in elektriciteit, "zei hij. "Met andere woorden, we zouden graag een zonnecel hebben met een absorptiespectrum dat perfect bij het zonlicht past. We zijn op weg naar dat doel."