(Phys.org) — Wetenschappers van Rice University hebben een nieuwe kathode uitgevonden die goedkope, flexibele kleurstof-gevoelige zonnecellen praktisch.

Het Rice-lab van materiaalwetenschapper Jun Lou heeft de nieuwe kathode gemaakt, een van de twee elektroden in batterijen, van nanobuisjes die naadloos zijn verbonden met grafeen en de dure en broze materialen op platinabasis vervangen die vaak in eerdere versies werden gebruikt.

De ontdekking werd online gerapporteerd in de Royal Society of Chemistry's Journal of Materials Chemistry A .

Met kleurstof gesensibiliseerde zonnecellen zijn in ontwikkeling sinds 1988 en zijn het onderwerp geweest van talloze experimenten in de scheikunde op de middelbare school. Ze gebruiken goedkope organische kleurstoffen, getrokken uit de wil van frambozen, die geleidende titaandioxidedeeltjes bedekken. De kleurstoffen absorberen fotonen en produceren elektronen die uit de cel stromen voor gebruik; een retourleiding voltooit het circuit naar de kathode die wordt gecombineerd met een op jodium gebaseerde elektrolyt om de kleurstof te verversen.

Hoewel ze lang niet zo efficiënt zijn als zonnecellen op basis van silicium bij het opvangen van zonlicht en het omzetten in elektriciteit, kleurstofgevoelige zonnecellen hebben voordelen voor veel toepassingen, volgens mede-hoofdauteur Pei Dong, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Lou.

"De eerste is dat ze goedkoop zijn, omdat ze in een normale ruimte kunnen worden vervaardigd, "Dong zei. "Er is geen behoefte aan een schone kamer. Ze zijn semi-transparant, zodat ze kunnen worden toegepast op glas, en ze kunnen worden gebruikt bij weinig licht; ze werken zelfs op een bewolkte dag.

"Of binnenshuis, Lou zei. "Een bedrijf dat kleurstofgevoelige cellen commercialiseert, integreert ze in computertoetsenborden en muizen, zodat je nooit batterijen hoeft te installeren. Normaal kamerlicht is voldoende om ze in leven te houden."

De doorbraak breidt een stroom van nanotechnologieonderzoek bij Rice uit, dat begon met de uitvinding van scheikundige Robert Hauge in 2009 van een "vliegend tapijt" -techniek om zeer lange bundels van uitgelijnde koolstofnanobuisjes te laten groeien. In zijn proces, de nanobuisjes bleven aan het oppervlaktesubstraat vastzitten, maar duwden de katalysator omhoog terwijl ze groeiden.

De grafeen/nanobuis-hybride kwam twee jaar geleden op de markt. Nagesynchroniseerd met "James' bond" ter ere van de uitvinder, Rijstchemicus James Tour, de hybride heeft een naadloze overgang van grafeen naar nanobuis. De grafeenbasis wordt gekweekt via chemische dampafzetting en een katalysator wordt in een patroon bovenop geplaatst. Bij opnieuw opwarmen koolstofatomen in een aërosolgrondstof hechten zich aan het grafeen bij de katalysator, die opstijgt en de nieuwe nanobuisjes laat groeien. Als de nanobuisjes stoppen met groeien, de resterende katalysator (het "tapijt") fungeert als een dop en zorgt ervoor dat de nanobuisjes niet in de knoop raken.

Het hybride materiaal lost twee problemen op die de commerciële toepassing van kleurstofgevoelige zonnecellen hebben tegengehouden:zei Lou. Eerst, het grafeen en de nanobuisjes worden rechtstreeks op het nikkelsubstraat gekweekt dat als elektrode dient, het elimineren van adhesieproblemen die de overdracht van platinakatalysatoren naar gewone elektroden zoals transparant geleidend oxide plaagden.

Tweede, de hybride heeft ook minder contactweerstand met het elektrolyt, waardoor elektronen vrijer kunnen stromen. De ladingsoverdrachtsweerstand van de nieuwe kathode, die bepaalt hoe goed elektronen van de elektrode naar de elektrolyt gaan, bleek 20 keer kleiner te zijn dan voor op platina gebaseerde kathoden, zei Lou.

De sleutel lijkt het enorme oppervlak van de hybride te zijn, geschat op meer dan 2, 000 vierkante meter per gram. Zonder onderbreking in de atomaire bindingen tussen nanobuisjes en grafeen, het hele gebied van het materiaal, binnen en buiten, wordt één groot oppervlak. Dit geeft de elektrolyt volop gelegenheid om contact te maken en zorgt voor een sterk geleidende weg voor elektronen.

Lou's lab bouwde en testte zonnecellen met nanobuisbossen van verschillende lengtes. De kortste, die tussen 20-25 micron gemeten, waren in 4 minuten gegroeid. Andere nanobuismonsters werden gedurende een uur gekweekt en hadden een afmeting van ongeveer 100-150 micron. In combinatie met een elektrolyt op basis van jodidezout en een anode van flexibel indiumtinoxide, titaandioxide en lichtvangende organische kleurstofdeeltjes, de grootste cellen waren slechts 350 micron dik - het equivalent van ongeveer twee vellen papier - en konden gemakkelijk en herhaaldelijk worden gebogen.

Uit tests bleek dat zonnecellen gemaakt van de langste nanobuisjes de beste resultaten opleverden en een stroomsterkte van bijna 18 milliampère per vierkante centimeter bereikten. vergeleken met bijna 14 milliampère voor op platina gebaseerde controlecellen. De nieuwe kleurstofgevoelige zonnecellen waren maar liefst 20 procent beter in het omzetten van zonlicht in stroom. met een rendement tot 8,2 procent, vergeleken met 6,8 voor de op platina gebaseerde cellen.

Op basis van recent werk aan flexibele, op grafeen gebaseerde anodematerialen door de Lou en Tour-labs en gesynthetiseerde hoogwaardige kleurstoffen door andere onderzoekers, Lou verwacht dat kleurstofgevoelige cellen veel toepassingen zullen vinden. "We demonstreren dat al deze koolstofnanostructuren kunnen worden gebruikt in echte toepassingen, " hij zei.