MIT -forskare har tagit fram en ny typ av fotovoltaiska celler baserade på ark av flexibel grafen belagd med ett lager nanotrådar. Tillvägagångssättet kan leda till låg kostnad, transparenta och flexibla solceller som kan användas på fönster, tak eller andra ytor.
Det nya tillvägagångssättet beskrivs detaljerat i en rapport som publicerats i tidskriften Nano bokstäver , medförfattare av MIT postdocs Hyesung Park och Sehoon Chang, docent i materialvetenskap och teknik Silvija Gradečak, och åtta andra MIT -forskare.
Medan de flesta av dagens solceller är gjorda av kisel, dessa förblir dyra eftersom kislet i allmänhet är mycket renat och sedan görs till kristaller som är skivade tunna. Många forskare undersöker alternativ, såsom nanostrukturerade eller hybrid solceller; indiumtennoxid (ITO) används som en transparent elektrod i dessa nya solceller.
"För närvarande, ITO är det valda materialet för transparenta elektroder, "Gradečak säger, som på pekskärmarna som nu används på smartphones. Men indiumet som används i den föreningen är dyrt, medan grafen är gjord av allestädes närvarande kol.
Det nya materialet, Gradečak säger, kan vara ett alternativ till ITO. Förutom den lägre kostnaden, det ger andra fördelar, inklusive flexibilitet, Låg vikt, mekanisk hållfasthet och kemisk robusthet.
Att bygga halvledande nanostrukturer direkt på en orörd grafenyta utan att försämra dess elektriska och strukturella egenskaper har varit utmanande på grund av grafens stabila och inerta struktur, Gradečak förklarar. Så hennes team använde en serie polymerbeläggningar för att ändra dess egenskaper, låta dem binda ett lager zinkoxid nanotrådar till det, och sedan en överläggning av ett material som reagerar på ljusvågor-antingen bly-sulfidkvantprickar eller en typ av polymer som kallas P3HT.
Trots dessa ändringar, Gradečak säger, grafens medfödda egenskaper förblir intakta, ger betydande fördelar i det resulterande hybridmaterialet.
"Vi har visat att enheter baserade på grafen har en jämförbar effektivitet med ITO, "säger hon-när det gäller kvantpunktsöverlägget, en övergripande effektomvandlingseffektivitet på 4,2 procent - mindre än effektiviteten hos kiselceller för allmänt ändamål, men konkurrenskraftig för specialiserade applikationer. "Vi är de första som visar solceller med grafen-nanotråd utan att göra avkall på enhetens prestanda."
Dessutom, till skillnad från högtemperaturtillväxten hos andra halvledare, en lösningsbaserad process för att avsätta nanotrådar av zinkoxid på grafenelektroder kan utföras helt vid temperaturer under 175 grader Celsius, säger Chang, en postdoc vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik (DMSE) och en huvudförfattare till uppsatsen. Kiselsolceller bearbetas vanligtvis vid betydligt högre temperaturer.
Tillverkningsprocessen är mycket skalbar, tillägger Park, den andra huvudförfattaren och en postdoc i DMSE och vid MIT:s avdelning för elektroteknik och datavetenskap. Grafen syntetiseras genom en process som kallas kemisk ångavsättning och beläggs sedan med polymerskikten. "Storleken är inte en begränsande faktor, och grafen kan överföras till olika målsubstrat såsom glas eller plast, "Säger Park.
Gradečak varnar för att även om skalbarheten för solceller inte har visats ännu-hon och hennes kollegor har bara gjort proof-of-concept-enheter en halv tum stora-förutser hon inga hinder för att göra större storlekar. "Jag tror att vi inom några år kunde se [kommersiella] enheter" baserade på denna teknik, hon säger.
László Forró, professor vid Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, i Schweiz, som inte var associerad med denna forskning, säger att tanken på att använda grafen som en transparent elektrod var "i luften redan, "men hade faktiskt inte förverkligats.
"Enligt min mening är detta arbete ett verkligt genombrott, "Säger Forró." Utmärkt arbete i alla avseenden. "
Han varnar för att "vägen fortfarande är lång för att komma in i riktiga applikationer, det finns många problem som ska lösas, "men tillägger att" kvaliteten på forskargruppen kring detta projekt ... garanterar framgången. "
Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.
