Forskare från Northwestern University har utvecklat ett kolbaserat material som kan revolutionera hur solenergi skördas. Det nya solcellsmaterialet – en transparent ledare gjord av kolnanorör – utgör ett alternativ till dagens teknik, som är mekaniskt spröd och beroende av ett relativt sällsynt mineral.
På grund av jordens överflöd av kol, Kolnanorör har potential att öka den långsiktiga livskraften för solenergi genom att tillhandahålla ett kostnadseffektivt alternativ när efterfrågan på tekniken ökar. Dessutom, materialets mekaniska flexibilitet kan tillåta att solceller integreras i tyger och kläder, möjliggör bärbara energiförsörjningar som kan påverka allt från personlig elektronik till militära operationer.
Forskningen, leds av Mark C. Hersam, professor i materialvetenskap och teknik och professor i kemi, och Tobin J. Marks, Vladimir N. Ipatieff Professor i katalytisk kemi och professor i materialvetenskap och teknik, finns på omslaget till oktobernumret 2011 av Avancerade energimaterial , en ny tidskrift som specialiserar sig på vetenskap om material som används i energitillämpningar.
Solceller består av flera lager, inklusive ett transparent ledarskikt som tillåter ljus att passera in i cellen och elektricitet att passera ut; för att båda dessa åtgärder ska inträffa, ledaren måste vara både elektriskt ledande och även optiskt transparent. Få material har båda dessa egenskaper samtidigt.
För närvarande, indiumtennoxid är det dominerande materialet som används i transparenta ledningsapplikationer, men materialet har två potentiella begränsningar. Indiumtennoxid är mekaniskt spröd, vilket utesluter dess användning i applikationer som kräver mekanisk flexibilitet. Dessutom, Indiumtennoxid är beroende av det relativt sällsynta grundämnet indium, så den förväntade ökade efterfrågan på solceller kan pressa priset på indium till problematiskt höga nivåer.
"Om soltekniken verkligen blir utbredd, som alla hoppas, vi kommer sannolikt att få en kris i tillgången på indium, ", sa Hersam. "Det finns en stor önskan att identifiera material - särskilt jordnära element som kol - som kan ta indiums plats i solteknik."
Hersam och Marks team har skapat ett alternativ till indiumtennoxid med enkelväggiga kolnanorör, mycket liten, ihåliga cylindrar av kol bara en nanometer i diameter.
Forskarna har gått längre för att bestämma vilken typ av nanorör som är mest effektiv i transparenta ledare. Nanorörs egenskaper varierar beroende på deras diameter och deras kirala vinkel, vinkeln som beskriver arrangemanget av kolatomer längs nanorörets längd. Dessa egenskaper bestämmer två typer av nanorör:metalliska och halvledande.
Metalliska nanorör, forskarna fann, är 50 gånger effektivare än halvledande när de används som transparenta ledare i organiska solceller.
"Vi har nu identifierat exakt vilken typ av kolnanorör som ska användas i denna applikation, " sa Hersam.
Eftersom kolnanorör är flexibla, i motsats till den spröda indiumtennoxiden, forskarnas resultat kan bana väg för många nya tillämpningar inom solceller. Till exempel, militären skulle kunna införliva de flexibla solcellerna i tältmaterial för att ge solenergi direkt till soldater i fält, eller cellerna kan integreras i kläder, ryggsäckar, eller plånböcker för bärbar elektronik.
"Med denna mekaniskt flexibla teknik, det är mycket lättare att föreställa sig att integrera solteknik i vardagen, istället för att bära runt på en stor, oflexibel solcell, " sa Hersam.
Forskare undersöker nu andra lager av solcellen för att utforska att även ersätta dessa med kolbaserade nanomaterial.
