För att göra stora ark av kol tillgängliga för ljusinsamling, Indiana University Bloomington kemister har utarbetat en ovanlig lösning - fäst vad som motsvarar en 3-D bramble patch på varje sida av kolplåten. Med den metoden, forskarna säger att de kunde lösa upp ark innehållande så många som 168 kolatomer, en första.

Forskarnas rapport, online idag (9 april), kommer att dyka upp i ett framtida nummer av Nanobokstäver , en tidskrift från American Chemical Society.

"Vårt intresse beror på att vi vill hitta ett alternativ, lättillgängligt material som effektivt kan absorbera solljus, " sa kemisten Liang-shi Li, som ledde forskningen. "För närvarande är de vanligaste materialen för att absorbera ljus i solceller kisel och föreningar som innehåller rutenium. Vart och ett har nackdelar."

Deras största nackdel är kostnad och långsiktig tillgänglighet. Ruteniumbaserade solceller kan potentiellt vara billigare än kiselbaserade, men rutenium är en sällsynt metall på jorden, lika sällsynt som platina, och kommer att ta slut snabbt när efterfrågan ökar.

Kol är billigt och rikligt, och i form av grafen, kan absorbera ett brett spektrum av ljusfrekvenser. Grafen är i princip samma sak som grafit (blyertspenna), förutom att grafen är ett enda ark kol, en atom tjock. Grafen visar lovande som en effektiv, billigt att tillverka, och mindre giftigt alternativ till andra material som för närvarande används i solceller. Men det har också irriterat forskarna.

För att ett ark grafen ska vara till någon nytta för att samla fotoner av ljus, arket måste vara stort. För att använda den absorberade solenergin för elektricitet, dock, arket får inte vara för stort. Tyvärr, forskare tycker att stora ark grafen är svåra att arbeta med, och deras storlekar är ännu svårare att kontrollera. Ju större grafenarket, desto klibbigare är det, vilket gör det mer benäget att attrahera och glom på andra grafenark. Flera lager grafen kan vara bra för att göra anteckningar, men de förhindrar också elektricitet.

Kemister och ingenjörer som experimenterar med grafen har kommit fram till en mängd strategier för att hålla enskilda grafenark åtskilda. Den mest effektiva lösningen före Nanobokstäver papper har brutit upp grafit (uppifrån och ner) till ark och virat polymerer runt dem för att göra dem isolerade från varandra. Men detta gör grafenark med slumpmässiga storlekar som är för stora för ljusabsorption för solceller.

Li och hans medarbetare försökte en annan idé. Genom att fästa en halvstyv, halvflexibel, tredimensionell sidogrupp till sidorna av grafen, de kunde hålla grafenskivor så stora som 168 kolatomer från att fästa vid varandra. Med denna metod, de skulle kunna göra grafenarken från mindre molekyler (nedifrån och upp) så att de blir enhetliga i storlek. Såvitt forskarna vet, det är det största stabila grafenarket som någonsin gjorts med bottom-up-metoden.

Sidogruppen består av en hexagonal kolring och tre långa, hullingförsedda svansar gjorda av kol och väte. Eftersom grafenarket är styvt, sidogruppsringen tvingas rotera cirka 90 grader i förhållande till grafenens plan. De tre svansarna är fria att viska omkring, men två av dem tenderar att bifoga grafenarket som de är fästa vid.

Svansarna fungerar inte bara som en bur, dock. De fungerar också som ett handtag för det organiska lösningsmedlet så att hela strukturen kan lösas upp. Li och hans kollegor kunde lösa upp 30 mg av arten per 30 ml lösningsmedel.

"I det här pappret, vi hittade ett nytt sätt att göra grafen lösligt, " Sa Li. "Detta är lika viktigt som den relativt stora storleken på grafenen i sig."

För att testa effektiviteten hos deras grafenljusacceptor, forskarna konstruerade rudimentära solceller med titandioxid som elektronacceptor. Forskarna kunde uppnå en strömtäthet på 200 mikroampere per kvadratcentimeter och en öppen kretsspänning på 0,48 volt. Grafenarken absorberade en betydande mängd ljus i det synliga till nära-infraröda området (200 till 900 nm eller så) med toppabsorption som inträffade vid 591 nm.

Forskarna håller på att designa om grafenarken med klibbiga ändar som binder till titandioxid, vilket kommer att förbättra solcellernas effektivitet.

"Att skörda energi från solen är ett förutsättningssteg, " sa Li. "Hur man omvandlar energi till elektricitet är nästa. Vi tycker att vi har en bra start."