Ett lovande tillvägagångssätt för att göra solceller som är billiga, lätt och flexibel är att använda ekologiskt (det vill säga kolhaltiga) föreningar istället för dyra, högt renat kisel. Men ett envist problem har bromsat utvecklingen av sådana celler:Forskare har haft svårt att komma fram till lämpliga material för elektroderna för att transportera strömmen till och från cellerna. Specifikt, det har varit svårt att tillverka elektroder med material som kan matcha de organiska cellernas flexibilitet, transparens och låg kostnad.

Standardmaterialet som hittills använts för dessa elektroder är indium-tennoxid, eller ITO. Men indium är dyrt och relativt sällsynt, så letandet har pågått efter en lämplig ersättare. Nu, ett team av MIT-forskare har kommit på ett praktiskt sätt att använda en möjlig ersättning gjord av billigt och allestädes närvarande kol. Det föreslagna materialet är grafen, en form av kol där atomerna bildar en platt skiva bara en atom tjock, arrangerade i en hönsnätsliknande formation.

En analys av hur man använder grafen som elektrod för sådana solceller publicerades den 17 december i tidskriften Nanoteknik , i en artikel av MIT-professorerna Jing Kong och Vladimir Bulović tillsammans med två av deras studenter och en postdoktor.

Grafen är transparent, så att elektroder gjorda av den kan appliceras på de transparenta organiska solcellerna utan att blockera något av det inkommande ljuset. Dessutom, den är flexibel, som de organiska solcellerna själva, så det kan vara en del av installationer som kräver att panelen följer en strukturs konturer, som ett mönstrat tak. ITO, däremot är stel och spröd.

Det största problemet med att få grafen att fungera som elektrod för organiska solceller har varit att få materialet att fästa vid panelen. Grafen stöter bort vatten, så typiska procedurer för att producera en elektrod på ytan genom att deponera materialet från en lösning fungerar inte.

Teamet försökte en mängd olika tillvägagångssätt för att ändra cellens ytegenskaper eller att använda andra lösningar än vatten för att avsätta kolet på ytan, men ingen av dessa fungerade bra, säger Kong. Men sedan upptäckte de att "dopning" av ytan - dvs. införa en uppsättning föroreningar i ytan – förändrade hur den betedde sig, och lät grafenen binda tätt. Som en bonus, det visade sig att dopningen också förbättrade materialets elektriska ledningsförmåga.

Medan de specifika egenskaperna hos grafenelektroden skiljer sig från de hos ITO, skulle den ersätta, dess totala prestanda i en solcell är mycket lika, säger Kong. Och flexibiliteten och lätta vikten hos organiska solceller med grafenelektroder kan öppna upp för en mängd olika applikationer som inte skulle vara möjliga med dagens konventionella kiselbaserade solpaneler, hon säger. Till exempel, på grund av sin transparens kunde de appliceras direkt på fönster utan att blockera sikten, och de kan appliceras på oregelbundna vägg- eller takytor. Dessutom, de kan staplas ovanpå andra solpaneler, öka mängden energi som genereras från ett givet område. Och de kunde till och med vikas eller rullas ihop för enkel transport.

Medan denna forskning tittade på hur man anpassar grafen för att ersätta en av de två elektroderna på en solpanel, Kong och hennes medarbetare försöker nu anpassa den till den andra elektroden också. Dessutom, utbredd användning av denna teknik kommer att kräva nya tekniker för storskalig tillverkning av grafen - ett område med mycket aktiv forskning. Det pågående arbetet har finansierats av Eni-MIT Alliance Solar Frontiers Center och ett NSF-forskningsstipendium.

Peter Peumans, en biträdande professor i elektroteknik vid Stanford University, som inte var involverad i denna studie, säger att organiska solceller förmodligen kommer att bli praktiska först med utvecklingen av transparent elektrodteknologi som är både billigare och mer robust än konventionella metalloxider. Andra material studeras som möjliga substitut, han säger, men detta arbete representerar "mycket viktiga framsteg" mot att göra grafen till en trovärdig transparent ersättningselektrod.

"Andra grupper hade redan visat att grafen uppvisar bra kombinationer av transparens och arkmotstånd, men ingen kunde uppnå en prestanda med grafenelektroder som matchar den för enheter på konventionella metalloxidelektroder (ITO), säger Peumans. "Detta arbete är en betydande push mot att göra grafen till en ledande kandidat."