(Phys.org) – I ett tillvägagångssätt som kan utmana kisel som det dominerande fotovoltaiska cellmaterialet, Materialingenjörer från University of Wisconsin-Madison har utvecklat en billig solcell som utnyttjar kolnanorör för att absorbera och omvandla energi från solen.

Framsteg kan leda till att solpaneler är lika effektiva, men mycket billigare att tillverka, än nuvarande paneler.

Den proof-of-concept-solcellen i kolnanorör kan omvandla nästan 75 procent av ljuset den absorberar till elektricitet, säger Michael Arnold, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid UW-Madison och en pionjär inom utveckling av kolnanorörsbaserade material för solenergitillämpningar. "Vi har tagit ett riktigt grundläggande steg för att visa att det kommer att vara möjligt att använda dessa nya kolnanorörsmaterial för solceller en dag, " han säger.

Arnold och doktoranden Matthew Shea beskrev utvecklingen i en artikel publicerad 17 juni, 2013, i nätupplagan av tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik .

Kisel är rikligt och en effektiv solenergisamlare, ändå är det dyrt att bearbeta och tillverka till solpaneler. Som ett resultat, forskare studerar alternativa material – bland dem, kolnanorör.

De senaste framstegen har gett forskare en större nivå av kontroll över den kemiska sammansättningen av kolnanorör, vilket i sin tur har öppnat dörren till otaliga applikationer. De tunna spagettiliknande rören är enkla och billiga att tillverka, stabil och hållbar, och är både bra ljusabsorbenter och elektriska ledare.

Mycket av den nuvarande kolnanorörssolcellsforskningen kretsar kring beprövade solcellsmaterial som använder inblandade nanorör för att leda den elektriska laddningen. "Det är bara att använda hälften av de möjligheter som nanorör erbjuder, säger Arnold, vars tidigare arbete med kolnanorör för transistorer inspirerade honom att utforska tillämpningar inom solenergi.

Byggande på ett halvt decenniums forskning – inklusive grundläggande studier av doktoranden Dominick Bindl – utvecklade Arnold och Shea en solcell som använder kolnanorör för att samla in ljus och omvandla det till elektricitet. "Vi börjar från grunden och försöker få ut hög effektivitet ur nanorören, " säger Arnold. "Vi försöker få ut så mycket energiomvandling som möjligt ur vårt material, och det är det som är unikt med vårt arbete."

Väsentligen, proof-of-concept-solcellen är en ultratunn plåt, eller film, av kolnanorör skiktade ovanpå ett annat tunt ark av ett material som kallas buckminsterfulleren, eller C ₆₀ . Nanorören absorberar huvuddelen av solljuset och behåller den positiva laddningen, medan C ₆₀ drar den negativa laddningen.

Solcellseffektivitet är den procentandel av solenergi som lyser på en cell som cellen faktiskt omvandlar till elektrisk energi. När Arnold och hans elever började denna forskning för fem år sedan, deras solceller uppnådde energiomvandlingseffektivitet på bara omkring en miljondels procent. Idag - i motsats till den genomsnittliga effektiviteten på 15 procent för konventionella kiselsolceller - är deras proof of concept 1 procent effektiv.

Även om den siffran kan tyckas låg, Arnold är optimistisk att den kan stiga – delvis på grund av att det solfångande kolnanorörsskiktet i proof-of-concept-solcellen bara är några få atomer tjockt. Och, cellen omvandlar cirka 75 procent av det solljus som den absorberar till elektricitet. "Av det ljus som absorberas, vi konverterar det mesta, säger Arnold.

Nästa steg för att öka effektiviteten är redan på gång. Forskarna fokuserar nu på att öka tjockleken på den tunna filmen av kolnanoröret från bara 5 nanometer till minst 100 - vilket, enligt deras teoretiska modeller, i slutändan skulle kunna sätta energiomvandlingseffektiviteten för deras solceller i linje med den för kiselceller. "Vad vårt arbete visar är att du kommer att kunna få lika hög effektivitet som kisel så småningom, och det är därför vi är glada, säger Arnold.