Att omvandla solljus till elektricitet kan inte längre betyda stora paneler av fotovoltaiska celler ovanpå plana ytor som tak.

Använda zinkoxidnanostrukturer odlade på optiska fibrer och belagda med färgsensibiliserade solcellsmaterial, forskare vid Georgia Institute of Technology har utvecklat en ny typ av tredimensionellt solcellssystem. Tillvägagångssättet skulle kunna göra det möjligt för PV-system att döljas och placeras bort från traditionella platser som takåsar.

"Med den här tekniken, vi kan tillverka solcellsgeneratorer som är hopfällbara, dold och mobil, " sa Zhong Lin Wang, en Regents-professor vid Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Optisk fiber skulle kunna leda solljus in i en byggnads väggar där nanostrukturerna skulle omvandla det till elektricitet. Detta är verkligen en tredimensionell solcell."

Detaljer om forskningen publicerades i tidskriftens tidiga vyn Angewandte Chemie International den 22 oktober. Arbetet sponsrades av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), KAUST Global Research Partnership och National Science Foundation.

Färgsensibiliserade solceller använder ett fotokemiskt system för att generera elektricitet. De är billiga att tillverka, flexibel och mekaniskt robust, men deras avvägning mot lägre kostnad är omvandlingseffektiviteten lägre än den för kiselbaserade celler. Men att använda nanostrukturmatriser för att öka den tillgängliga ytan för att omvandla ljus kan bidra till att minska effektivitetsnackdelen, samtidigt som det ger arkitekter och designers nya alternativ för att införliva PV i byggnader, fordon och till och med militär utrustning.

Tillverkningen av det nya Georgia Tech PV-systemet börjar med optisk fiber av den typ som används av telekommunikationsindustrin för att transportera data. Först, forskarna tar bort beklädnadsskiktet, applicera sedan en ledande beläggning på fiberns yta innan ytan sås med zinkoxid. Nästa, de använder etablerade lösningsbaserade tekniker för att odla inriktade zinkoxidnanotrådar runt fibern ungefär som borsten på en flaskborste. Nanotrådarna beläggs sedan med de färgämnessensibiliserade materialen som omvandlar ljus till elektricitet.

Solljus som kommer in i den optiska fibern passerar in i nanotrådarna, där det interagerar med färgämnesmolekylerna för att producera elektrisk ström. En flytande elektrolyt mellan nanotrådarna samlar upp de elektriska laddningarna. Resultatet är ett hybridt nanotråd/optiskt fibersystem som kan vara upp till sex gånger så effektivt som plana zinkoxidceller med samma yta.

"I varje reflektion i fibern, ljuset har möjlighet att interagera med nanostrukturerna som är belagda med färgämnesmolekylerna, " Wang förklarade. "Du har flera ljusreflektioner i fibern, och flera reflektioner inom nanostrukturerna. Dessa interaktioner ökar sannolikheten för att ljuset kommer att interagera med färgämnesmolekylerna, och det ökar effektiviteten. "

Wang och hans forskargrupp har nått en effektivitet på 3,3 procent och hoppas kunna nå 7 till 8 procent efter ytmodifiering. Även om det är lägre än kiselsolceller, denna effektivitet skulle vara användbar för praktisk energiskörd. Om de kan göra det, den potentiellt lägre kostnaden för deras tillvägagångssätt kan göra det attraktivt för många applikationer.

Genom att tillhandahålla ett större område för att samla ljus, tekniken skulle maximera mängden energi som produceras från starkt solljus, samt generera respektabla effektnivåer även i svagt ljus. Mängden ljus som kommer in i den optiska fibern kan ökas genom att använda linser för att fokusera det inkommande ljuset, och den fiberbaserade solcellen har en mycket hög mättnadsintensitet, sa Wang.

Wang tror att denna nya struktur kommer att erbjuda arkitekter och produktdesigners ett alternativt PV-format för att integreras i andra applikationer.

"Detta kommer verkligen att ge några nya alternativ för solcellssystem, " Wang sa. "Vi skulle kunna eliminera de estetiska problemen med PV arrayer på byggnad. Vi kan också föreställa oss solcellssystem för att tillhandahålla energi till parkerade fordon, och för att ladda mobil militär utrustning där traditionella arrayer inte är praktiska eller du inte skulle vilja använda dem."

Wang och hans forskargrupp, som inkluderar Benjamin Weintraub och Yaguang Wei, har producerat generatorer på optisk fiber upp till 20 centimeter i längd. "Ju längre desto bättre, sa Wang, "eftersom ljuset kan färdas längre längs fibern, ju fler studsar den gör och mer kommer den att absorberas."

Traditionell optisk kvartsfiber har använts hittills, men Wang skulle vilja använda billigare polymerfiber för att minska kostnaderna. Han överväger också andra förbättringar, som en bättre metod för att samla upp laddningarna och en ytbeläggning av titanoxid som ytterligare kan öka effektiviteten.

Även om den kan användas för stora PV -system, Wang förväntar sig inte att hans solceller kommer att ersätta kiselenheter inom kort. Men han tror att de kommer att bredda de potentiella tillämpningarna för solcellsenergi.

"Det här är ett annorlunda sätt att samla kraft från solen, " sa Wang. "För att möta våra energibehov, vi behöver alla tillvägagångssätt vi kan få."

Källa:Georgia Institute of Technology