Lättare, mer flexibel, och billigare än konventionella solcellsmaterial, kolnanorör (CNT) har länge visat lovande för solceller. Men forskningen stannade när CNT visade sig vara ineffektiva, omvandlar mycket mindre solljus till kraft än andra metoder.
Nu är en forskargrupp ledd av Mark Hersam, professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och Bette och Neison Harris ordförande för Teaching Excellence vid Northwestern Universitys McCormick School of Engineering, har skapat en ny typ av CNT-solcell som är dubbelt så effektiv som sina föregångare. Det är också den första CNT-solcellen som har sin prestanda certifierad av National Renewable Energy Laboratory.
"Fältet hade legat runt 1 procents effektivitet i ungefär ett decennium; det hade verkligen platåerats, " Sa Hersam. "Men vi har kunnat öka den till över 3 procent. Det är ett betydande hopp."
Forskningen beskrivs i artikeln "Polychiral Semiconducting Carbon Nanotube-Fullerene Solar Cells" i numret 7 augusti av Nanobokstäver .
Hemligheten ligger i CNTs chiralitet, vilket är en kombination av rörens diameter och vridning. När ett tunt ark kol rullas till ett nanorör, flera hundra olika kiraliteter är möjliga. Förr, forskare tenderade att välja en speciell kiralitet med goda halvledande egenskaper och bygga en hel solcell av den.
"Problemet är att varje nanorörskiralitet bara absorberar ett smalt intervall av optiska våglängder, " sa Hersam. "Om du gör en solcell av ett enda kiralitets-kolnanorör, du kastar i princip bort det mesta av solljuset."
Hersams team gjorde en blandning av polykiral, eller multipel kiralitet, halvledande nanorör. Detta maximerade mängden fotoström som produceras genom att absorbera ett bredare spektrum av solspektrumvåglängder. Cellerna absorberade avsevärt nära-infraröda våglängder, ett sortiment som har varit otillgängligt för många ledande tunnfilmsteknologier.
Även om detta är ett stort framsteg för CNT-solceller, de ligger fortfarande efter andra material i effektivitet. Kisel, till exempel, kan vara 15-20 procent effektiv, men det är dyrare att tillverka. "Om du tittar på vår prestation, det finns säkert ett stort hopp, ", sa Hersam. "Men det finns mer arbete att göra. Vi måste fortfarande utveckla den här tekniken med en faktor tre till fem."
Hersam sa att nästa steg är att skapa polykirala CNT-solceller som har flera lager. Varje lager skulle optimeras för en viss del av solspektrumet och, Således, absorbera mer ljus. Han sa att de också kan inkludera andra material, såsom organiska eller oorganiska halvledare, för att komplettera CNT.
"Vad vi skulle vilja göra är att absorbera varje foton från solen och omvandla den till elektricitet, " sa han. "Med andra ord, vi skulle vilja ha en solcell som har ett absorptionsspektrum som perfekt matchar solljus. Vi är på väg mot det målet."
