De flesta insatser för att förbättra solceller har fokuserat på att öka effektiviteten i deras energiomvandling, eller på att sänka tillverkningskostnaderna. Men nu öppnar MIT -forskare ytterligare en väg för förbättring, syftar till att producera de tunnaste och lättaste solpaneler som är möjliga.

Sådana paneler, som har potential att överträffa alla andra ämnen än uran av reaktorkvalitet när det gäller producerad energi per kilo material, kan tillverkas av staplade ark av en molekyltjocka material, såsom grafen eller molybdendisulfid.

Jeffrey Grossman, Carl Richard Soderberg docent i kraftteknik vid MIT, säger att det nya tillvägagångssättet "driver mot den ultimata effektomvandlingen som är möjlig från ett material" för solenergi. Grossman är seniorförfattare till ett nytt papper som beskriver detta tillvägagångssätt, publicerad i tidningen Nano bokstäver .

Även om forskare de senaste åren har ägnat stor uppmärksamhet åt potentialen i tvådimensionella material som grafen, Grossman säger, Det har gjorts få studier av deras potential för solapplikationer. Det visar sig, han säger, "de är inte bara okej, men det är fantastiskt hur bra de gör det. "

Med två lager av sådana atomtjocka material, Grossman säger, hans team har förutspått solceller med 1 till 2 procents effektivitet för att omvandla solljus till el, Det är lågt jämfört med 15 till 20 procents effektivitet hos vanliga kiselsolceller, han säger, men det uppnås med material som är tusentals gånger tunnare och lättare än silkespapper. Solcellen i två lager är bara 1 nanometer tjock, medan typiska kiselsolceller kan vara hundratusentals gånger så mycket. Staplingen av flera av dessa tvådimensionella lager kan öka effektiviteten avsevärt.

"Att stapla några lager kan möjliggöra högre effektivitet, en som konkurrerar med andra väletablerade solcellstekniker, "säger Marco Bernardi, en postdoc vid MIT:s institution för materialvetenskap som var huvudförfattare till tidningen. Maurizia Palummo, en senior forskare vid universitetet i Rom som besöker MIT genom programmet MISTI Italy, var också medförfattare.

För applikationer där vikt är en avgörande faktor - till exempel i rymdfarkoster, luftfart eller för användning i avlägsna områden i utvecklingsländerna där transportkostnaderna är betydande - sådana lätta celler kan redan ha stor potential, Säger Bernardi.

Pund för pund, han säger, de nya solcellerna producerar upp till 1, 000 gånger mer effekt än konventionella solceller. Ungefär en nanometer (miljarddels meter) i tjocklek, "Det är 20 till 50 gånger tunnare än den tunnaste solcellen som kan göras idag, "Tillägger Grossman." Du kunde inte göra en solcell tunnare. "

Denna slankhet är inte bara fördelaktig inom sjöfarten, men också för enkel montering av solpaneler. Ungefär hälften av kostnaden för dagens paneler ligger i stödstrukturer, installation, lednings- och styrsystem, kostnader som kan minskas genom användning av lättare strukturer.

Dessutom, själva materialet är mycket billigare än det högrenade kislet som används för vanliga solceller - och eftersom arken är så tunna, de kräver endast små mängder av råvaror.

MIT-teamets arbete hittills med att demonstrera potentialen i atomtjocka material för solgenerering är "bara början, "Säger Grossman. För en sak, molybden -disulfid och molybden -diselenid, material som används i detta arbete, är bara två av många 2-D-material vars potential kan studeras, för att inte säga något om olika kombinationer av material som ligger ihop. "Det finns en hel zoo av dessa material som kan utforskas, "Grossman säger." Min förhoppning är att det här arbetet sätter scenen för människor att tänka på dessa material på ett nytt sätt. "

Även om det inte finns några storskaliga metoder för att producera molybden-disulfid och molybden-diselenid vid denna tidpunkt, detta är ett aktivt forskningsområde. Tillverkningsbarhet är "en viktig fråga, "Grossman säger, "men jag tror att det är ett lösbart problem."

En ytterligare fördel med sådana material är deras långsiktiga stabilitet, även utomhus; andra solcellsmaterial måste skyddas under tunga och dyra glasskikt. "Det är i huvudsak stabilt i luften, under ultraviolett ljus, och i fukt, "Grossman säger." Det är mycket robust. "

Arbetet har hittills baserats på datormodellering av materialen, Grossman säger, tillägger att hans grupp nu försöker producera sådana enheter. "Jag tror att detta är toppen av isberget när det gäller att använda 2-D-material för ren energi" säger han.

Papperet har titeln "Extraordinary Sunlight Absorption and 1 nm-Thick Photovoltaics using Two-Dimensionional Monolayer Materials."

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.