Cirka 40 procent av solenergin som når jordens yta ligger i det nära infraröda området av spektrumet - energi som konventionella kiselbaserade solceller inte kan utnyttja. Men en ny sorts solcell i helt kol utvecklad av MIT-forskare skulle kunna utnyttja den oanvända energin, öppnar upp för möjligheten till kombinationssolceller – som innehåller både traditionella kiselbaserade celler och de nya helt kolcellerna – som kan utnyttja nästan hela spektrumet av solljusenergi.

"Det är en i grunden ny typ av solcellsceller, säger Michael Strano, Charles och Hilda Roddey professor i kemiteknik vid MIT och seniorförfattare till en artikel som beskriver den nya enheten som publicerades denna vecka i tidskriften Avancerade material .

Den nya cellen är gjord av två exotiska former av kol:kolnanorör och C60, annars känd som buckyballs. "Detta är den första solcellscellen helt i kol, ” säger Strano — en bedrift som möjliggjorts av ny utveckling inom storskalig produktion av nanorör av renat kol. "Det har bara varit under de senaste åren eller så som det har varit möjligt att ge någon en flaska med bara en typ av kolnanorör, ” säger han. För att de nya solcellerna ska fungera, nanorören måste vara väldigt rena, och av enhetlig typ:enkelväggig, och allt av bara ett av nanorörens två möjliga symmetriska konfigurationer.

Andra grupper har tillverkat fotovoltaiska (PV) celler med kolnanorör, men bara genom att använda ett lager av polymer för att hålla nanorören på plats och samla upp elektronerna som slås loss när de absorberar solljus. Men den kombinationen lägger till extra steg till produktionsprocessen, och kräver extra beläggningar för att förhindra nedbrytning vid exponering för luft. Den nya solcellscellen i helt kol verkar vara stabil i luft, säger Strano.

Den kolbaserade cellen är mest effektiv för att fånga solljus i det nära-infraröda området. Eftersom materialet är transparent för synligt ljus, sådana celler kan läggas över konventionella solceller, skapa en tandemenhet som kan utnyttja det mesta av energin från solljus. Kolcellerna behöver förädlas, Strano och hans kollegor säger:Hittills, de tidiga proof-of-concept-enheterna har en energiomvandlingseffektivitet på endast cirka 0,1 procent.

Men även om systemet kräver ytterligare forskning och finjustering, "vi är mycket på väg att tillverka nära-infraröda solceller med mycket hög effektivitet, säger Rishabh Jain, en doktorand som var huvudförfattare till tidningen.

Eftersom det nya systemet använder lager av material i nanoskala, att producera cellerna skulle kräva relativt små mängder mycket renat kol, och de resulterande cellerna skulle vara mycket lätta, säger laget. "En av de riktigt fina sakerna med kolnanorör är att deras ljusabsorption är mycket hög, så du behöver inte mycket material för att absorbera mycket ljus, säger Jain.

Vanligtvis, när ett nytt solcellsmaterial studeras, det finns stora ineffektiviteter, som forskare successivt hittar sätt att minska. I detta fall, postdoc och medförfattare Kevin Tvrdy säger, några av dessa källor till ineffektivitet har redan identifierats och åtgärdats:Till exempel, forskare vet redan att heterogena blandningar av kolnanorör är mycket mindre effektiva än homogena formuleringar, och material som innehåller en blandning av enkelväggiga och flerväggiga nanorör är så mycket mindre effektiva att de ibland inte fungerar alls, han säger.

"Det är ganska tydligt för oss vilken typ av saker som måste hända för att öka effektiviteten, säger Jain. Ett område som MIT-forskarna nu utforskar är mer exakt kontroll över den exakta formen och tjockleken på skikten av material som de producerar, han säger.

Teamet hoppas att andra forskare ska gå med i sökandet efter sätt att förbättra deras system, säger Jain. "Det är väldigt mycket ett modellsystem, " säger han, "och andra grupper kommer att bidra till att öka effektiviteten."

Men Strano påpekar att eftersom den nära-infraröda delen av solspektrumet för närvarande är helt oanvänd av typiska solceller, även en lågeffektiv cell som fungerar i den regionen kan vara värd besväret så länge dess kostnad är låg. "Om du kunde utnyttja till och med en del av det nära-infraröda spektrumet, det ger mervärde, ” säger han.

Strano tillägger att en av tidningens anonyma referentgranskare kommenterade att uppnåendet av en infrarödabsorberande kolbaserad solcellscell utan polymerlager är förverkligandet av "en dröm för fältet."

Michael Arnold, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid University of Wisconsin i Madison som inte var involverad i denna forskning, säger, "Kolnanorör erbjuder lockande möjligheter för att öka effektiviteten hos solceller och är ungefär som fotovoltaiska polymerer på steroider." han säger, "är spännande eftersom det visar fotovoltaisk energiomvandling med ett aktivt lager som är helt tillverkat av kol." Han tillägger, "Det här verkar vara en mycket lovande riktning som så småningom kommer att göra det möjligt för nanorörens löfte att utnyttjas mer fullt ut."

Arbetet involverade också MIT-studenterna Rachel Howden, Steven Shimizu och Andrew Hilmer; postdoc Thomas McNicholas; och professor i kemiteknik Karen Gleason. Det stöddes av det italienska företaget Eni genom MIT Energy Initiative, såväl som National Science Foundation och Department of Defense genom doktorandstipendier till Jain och Howden, respektive.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.