(Phys.org)—Forskare från Stanford University har byggt den första solcellen helt gjord av kol, ett lovande alternativ till de dyra material som används i solceller idag.

Resultaten publiceras i tidningen 31 oktober online ACS Nano .

"Kol har potential att leverera hög prestanda till en låg kostnad, " sa studie senior författare Zhenan Bao, professor i kemiteknik vid Stanford. "Som vi förstår det, detta är den första demonstrationen av en fungerande solcell som har alla komponenter gjorda av kol. Denna studie bygger på tidigare arbete som gjorts i vårt labb. "

Till skillnad från styva kiselsolpaneler som pryder många hustak, Stanfords tunnfilmsprototyp är gjord av kolmaterial som kan beläggas från lösning. "Kanske i framtiden kan vi titta på alternativa marknader där flexibla kolsolceller är belagda på ytan av byggnader, på fönster eller på bilar för att generera el, "Sa Bao.

Beläggningstekniken har också potential att minska tillverkningskostnaderna, sa Stanford doktorand Michael Vosgueritchian, co-lead författare till studien med postdoktorn Marc Ramuz.

"Bearbetning av kiselbaserade solceller kräver många steg, "Vosgueritchian förklarade." Men hela vår enhet kan byggas med enkla beläggningsmetoder som inte kräver dyra verktyg och maskiner. "

Kolnanomaterial

Bao-gruppens experimentella solcell består av ett fotoaktivt skikt, som absorberar solljus, klämd mellan två elektroder. I en typisk tunnfilmssolcell, elektroderna är gjorda av ledande metaller och indiumtennoxid (ITO). "Material som indium är knappa och blir dyrare i takt med att efterfrågan på solceller, pekskärmspaneler och andra elektroniska enheter växer, "Sa Bao." Kol, å andra sidan, är låg kostnad och rik på jorden."

För studien, Bao och hennes kollegor ersatte silver och ITO som används i konventionella elektroder med grafen - ark av kol som är en atom tjocka - och enkelväggiga kolnanorör som är 10, 000 gånger smalare än ett människohår. "Kolnanorör har extraordinära elektriska ledningsförmåga och ljusabsorptionsegenskaper, "Sa Bao.

För det aktiva lagret, forskarna använde material av kolnanorör och "buckyballs" – fotbollsformade kolmolekyler som bara är en nanometer i diameter. Forskargruppen lämnade nyligen in ett patent på hela enheten.

"Varje komponent i vår solcell, från topp till tå, är gjord av kolmaterial, ", sa Vosgueritchian. "Andra grupper har rapporterat att de tillverkar solceller helt i kol, men de syftade bara på det aktiva lagret i mitten, inte elektroderna."

En nackdel med prototypen helt i kol är att den främst absorberar nära-infraröda våglängder av ljus, bidrar till en laboratorieeffektivitet på mindre än 1 procent - mycket lägre än kommersiellt tillgängliga solceller. "Vi har helt klart en lång väg att gå när det gäller effektivitet, " sa Bao. "Men med bättre material och bättre bearbetningstekniker, vi förväntar oss att effektiviteten kommer att öka ganska dramatiskt."

Att förbättra effektiviteten

Stanford -teamet tittar på olika sätt att förbättra effektiviteten. "Ojämnhet kan kortsluta enheten och göra det svårt att samla ström, ", sa Bao. "Vi måste ta reda på hur man gör varje lager väldigt smidigt genom att stapla nanomaterialen riktigt bra."

Forskarna experimenterar också med kolnanomaterial som kan absorbera mer ljus i ett bredare våglängdsområde, inklusive det synliga spektrumet.

"Material av kol är mycket robusta, " sa Bao. "De förblir stabila i lufttemperaturer på nästan 1, 100 grader Fahrenheit."

Kolsolcellers förmåga att prestera bättre än konventionella enheter under extrema förhållanden kan övervinna behovet av större effektivitet, enligt Vosgueritchian. "Vi tror att solceller med alla kol skulle kunna användas i extrema miljöer, som vid höga temperaturer eller vid hög fysisk stress, " sa han. "Men uppenbarligen vill vi ha högsta möjliga effektivitet och arbetar på sätt att förbättra vår enhet."

"Fotovoltaik kommer definitivt att vara en mycket viktig kraftkälla som vi kommer att utnyttja i framtiden, " sa Bao. "Vi har mycket tillgängligt solljus. Vi måste ta reda på något sätt att använda denna naturresurs som vi får. "