Den här datorgenererade bilden visar nanorör, 10, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår, som omfattar en ny teknik utvecklad på Argonne för att "odla" solceller. Bild med tillstånd från Seth Darling (av Center for Nanoscale Materials) och Argonne National Laboratory.
(PhysOrg.com) – Forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har förfinat en teknik för att tillverka solceller genom att skapa rör av halvledande material och sedan "odla" polymerer direkt inuti dem. Metoden har potential att bli betydligt billigare än den process som används för att tillverka dagens kommersiella solceller.
Eftersom produktionskostnaderna för dagens generation av solceller hindrar dem från att konkurrera ekonomiskt med fossila bränslen, Argonne-forskare arbetar med att ombilda solcellens grundläggande design. De flesta nuvarande solceller använder kristallint kisel eller kadmiumtellurid, men att odla en kristall med hög renhet är energi- och arbetskrävande, gör cellerna dyra.
Nästa generation, kallas hybridsolceller, använder en blandning av billigare organiska och oorganiska material. För att kombinera dessa material effektivt, Argonne-forskare skapade en ny teknik för att odla organiska polymerer direkt inuti oorganiska nanorör.
På sin mest grundläggande nivå, solcellsteknik bygger på en rad processer som initieras när fotoner, eller ljuspartiklar, träffa halvledande material. När en foton träffar cellen, det exciterar en elektron ur dess initiala tillstånd, lämnar efter sig ett "hål" av positiv laddning.
Hybridsolceller innehåller två separata typer av halvledande material:en leder elektroner, de andra hålen. I korsningen mellan de två halvledarna, elektron-hålsparet dras isär, skapa en ström.
I studien, Argonne nanoforskaren Seth Darling och kollegor vid Argonne och University of Chicago var tvungna att tänka om geometrin hos de två materialen. Om de två halvledarna är placerade för långt ifrån varandra, elektron-hål-paret kommer att dö i transit. Dock, om de packas för tätt, de separerade laddningarna kommer inte att ta sig ut ur cellen.
När man utformar ett alternativ, forskare parade ihop en elektrondonerande konjugerad polymer med elektronacceptorn titandioxid (TiO) 2 ).
Titandioxid bildar lätt små rör bara tiotals nanometer i diameter - 10, 000 gånger mindre än ett människohår. Rader av små, enhetliga nanorör spirar över en film av titan som har varit nedsänkt i ett elektrokemiskt bad.
Nästa steg krävde att forskarna fyllde nanorören med den organiska polymeren - en frustrerande process.
En elektronmikroskopbild av elektrokemiskt odlade TiO2 nanorör. 10, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår, rören är fyllda med organisk polymer i en ny teknik utvecklad på Argonne för att "odla" solceller med potential att bli billigare än nuvarande solceller. Bild med tillstånd från Seth Darling (av Center for Nanoscale Materials) och Argonne National Laboratory.
"Att fylla nanorör med polymer är som att försöka stoppa våt spagetti i ett bord fullt av små hål, " sa Darling. "Polymeren slutar med att böjas och vrids, vilket leder till ineffektivitet både för att det fångar luftfickor medan det går och för att vridna polymerer inte leder laddningar lika bra.
"Dessutom, denna polymer gillar inte titandioxid, ", tillade Darling. "Så den drar sig bort från gränssnittet när den kan."
Försöker kringgå detta problem, teamet fick idén att odla polymeren direkt inuti rören. De fyllde rören med en polymerprekursor, tände ultraviolett ljus, och låt polymererna växa inuti rören.
Växt på det här sättet, polymeren drar sig inte för TiO 2 . Faktiskt, tester tyder på att de två materialen faktiskt blandas på molekylär nivå; tillsammans kan de fånga ljus vid våglängder som är oåtkomliga för något av de två materialen enbart. Denna "hemodlade" metod är potentiellt mycket billigare än den energikrävande process som producerar kiselkristallerna som används i dagens solceller.
Dessa enheter överträffar dramatiskt de som tillverkas genom att fylla nanorören med förodlad polymer, producerar cirka 10 gånger mer elektricitet från absorberat solljus. Solcellerna som produceras med denna teknik, dock, utnyttjar för närvarande inte så mycket av den tillgängliga energin från solljus som kiselceller kan. Darling hoppas att ytterligare experiment kommer att förbättra cellernas effektivitet.
Mer information: Pappret, med titeln "Förbättrade hybridsolceller via in situ UV-polymerisation", publicerades i tidskriften Små och är tillgänglig online.
Tillhandahålls av Argonne National Laboratory (nyheter:webb)
