Als Mike Arnold aan zonne-energie denkt, hij denkt groot, zoals in de "meer dan honderd miljoen miljard watt zonlicht waar de aarde continu in baadt." Maar hij denkt ook heel heel klein, onderzoeken hoe een op koolstof gebaseerd nanomateriaal van een miljardste meter dik de prijs voor het produceren van elektriciteit met zonnecellen drastisch kan verlagen.

Arnoldus, universitair hoofddocent bij UW-Madison's Department of Materials Science and Engineering, leidt een onderzoeksteam dat zich richt op de studie van geavanceerde elektronische materialen voor fotovoltaïsche (PV) zonne-energie, energie opslag, en halfgeleiderelektronica. Het ontwikkelen van materialen die de kosten van PV-energie kunnen verlagen, is de passie en het primaire doel van zijn team.

"We kennen allemaal de voordelen van zonne-energie, Arnold legt uit. Overvloedig zonlicht, geen uitstoot, geen bewegende delen, geen geluid, en gemakkelijk vervoer, maar dat laat veel mensen zich afvragen waarom we nog steeds kolencentrales hebben en niet op elk dak zonnepanelen. En het antwoord is zeker 'kosten'. Hoewel de prijzen voor het produceren van zonne-energie de afgelopen decennia dramatisch zijn gedaald, we hebben nog niet het punt bereikt waarop fotovoltaïsche energie economisch kan concurreren."

Fotovoltaïsche energie wordt gecreëerd wanneer fotonen - of pakketten licht van de zon - de bijna 93 miljoen mijl naar de aarde reizen en een zonnecel raken. Wanneer het halfgeleidende materiaal in een zonnecel zonlicht absorbeert, er ontstaat een elektrische lading. Het is dan de taak van de zonnecel om de lading te scheiden, zodat de positieve component naar de ene kant van de zonnecel gaat en de negatieve component naar de andere, waardoor een elektrische stroom ontstaat. Deze zonnecellen zijn gegroepeerd in modules, en deze modules zijn gegroepeerd in de panelen die we op daken en in zonnevelden zien.

"Het rendement van 25% van siliciumzonnecellen is best goed, Arnold zegt. "Het is de prijs van silicium als grondstof en de hoge verwerkingskosten die het moeilijk maken om de kosten van PV te drukken. Wat we nodig hebben, zijn cellen die net zo efficiënt zijn, maar veel goedkoper om te maken."

Sommige alternatieve PV-materialen van de "tweede generatie", zoals dunnefilmzonnecellen, worden door de industrie onderzocht en zijn zelfs gecommercialiseerd. Maar het prijskaartje voor zonne-energie blijft hoog bij deze technologieën, en de focus van het meeste PV-onderzoek ligt nu op zogenaamde "derde generatie" nanomaterialen, zoals die bestudeerd in het laboratorium van Arnold. "Nano" verwijst naar de opmerkelijk kleine afmetingen van deze materialen; een nanometer is een miljardste van een meter.

Arnold's benadering is om te beginnen met zeer goedkope materialen die, in principe, kunnen worden gemaakt in zonnecellen en vervolgens een manier bedenken om ze te laten werken. Momenteel, Het team van Arnold richt zich op op koolstof gebaseerde nanomaterialen, grafeen en koolstofnanobuisjes genaamd. Deze nanomaterialen worden in het laboratorium gesynthetiseerd met behulp van een proces dat chemische dampafzetting wordt genoemd, waarin koolwaterstoffen (gassen zoals methaan (CH4) en ethyleen (C2H4)) worden omgezet in zuivere koolstof.

Bij de productie van grafeen, koolwaterstoffen reageren met elkaar op een vlak substraat waarbij ze als bijproduct waterstofgas (H2) afgeven en op het substraat grafeen (zuiver C) vormen. Op deze manier, grote ondergronden kunnen worden gecoat met continue, atomair dunne platen grafeen. Om een ​​koolstofnanobuis te maken, de koolwaterstofreacties vinden plaats op het uiteinde van een bolvormig nanodeeltje in plaats van op een vlak substraat, vormen een cilinder.

Het eindresultaat zijn nanomaterialen die helemaal niet uit moleculen bestaan, maar zijn opgebouwd uit slechts een enkele laag atomen.

"Deze materialen zijn zo dun als je je kunt voorstellen... je kunt echt niets dunner maken, "Arnold legt uit, waardoor het gemakkelijk te begrijpen is waarom de wetenschappelijke gemeenschap soms naar deze materialen verwijst als "2D".

"Als we bij deze enkele laag atomen in grafeen en koolstofnanobuizen komen, "Arnold zegt, "het zijn enkele van de beste elektrische geleiders die we ooit hebben ontdekt en hun elektronische eigenschappen zijn veel gemakkelijker te controleren. Het zijn krachtige lichtabsorbers, relatief stabiel, gemakkelijk te synthetiseren, en goedkoop omdat koolstof zo overvloedig is."

Het team van Arnold onderzoekt momenteel het gebruik van zowel grafeenplaten als koolstofnanobuizen in zonnecellen. Voor een project, zijn team maakt koolstofnanobuizen met verschillende diameters die verschillende golflengten van licht absorberen; in een zonnecel, deze verscheidenheid aan diameters zou kunnen helpen om de algehele lichtabsorptie te vergroten.

"We kunnen mogelijk de kracht van veel meer licht benutten door de diameter van nanobuisjes te variëren, "Arnold legt uit, "alle kleuren in de regenboog, evenals die in het spectrum die we niet kunnen zien."

Arnold zet zich in om het potentieel van op koolstof gebaseerde nanomaterialen te onderzoeken als een goedkope manier om de enorme kracht van de zon te benutten, en het transformeren van het veld van zonne-energie.

"We werken er hard aan om hun eigenschappen beter te begrijpen en ze op veel verschillende manieren in echte zonnecellen uit te proberen. We hebben het gevoel dat ons huidige onderzoek ons ​​dichter bij de dag brengt waarop we echt zonnepanelen op elk dak zullen zien."