När Mike Arnold tänker på solenergi, han tänker stort, som i "de mer än hundra miljoner miljarder watt solljus som jorden kontinuerligt badar i." Men han tycker också mycket, väldigt liten, att utforska hur ett en miljarddels meter tjockt kolbaserat nanomaterial dramatiskt skulle kunna sänka priset för att producera el med solceller.

Arnold, docent vid UW-Madisons institution för materialvetenskap och teknik, leder ett forskarlag som fokuserar på studier av avancerade elektroniska material för solenergi (PV) energilagring, och halvledarelektronik. Att utveckla material som kan få ner kostnaden för solcellsenergi är hans teams passion och primära mål.

"Vi känner alla till det positiva med solenergi, " förklarar Arnold. "Rikligt solljus, inga utsläpp, inga rörliga delar, inget oljud, och enkel transport, men det gör att många undrar varför vi fortfarande har kolanläggningar och inte har solpaneler på varje tak. Och svaret är definitivt "kostnad". Även om priserna för att producera solenergi har fallit dramatiskt under de senaste decennierna, vi har ännu inte nått den punkt där solcellsenergi kan konkurrera ekonomiskt."

Fotovoltaisk energi skapas när fotoner – eller paket av ljus från solen – reser de nästan 93 miljoner milen till jorden och träffar en solcell. När det halvledande materialet i en solcell absorberar solljus, en elektrisk laddning genereras. Det är då solcellens uppgift att separera laddningen så att dess positiva komponent går till ena sidan av solcellen och dess negativa komponent går till den andra, producerar alltså en elektrisk ström. Dessa solceller är grupperade i moduler, och dessa moduler är grupperade i panelerna vi ser på hustak och i solfält.

"25% verkningsgrad för kiselsolceller är ganska bra, " säger Arnold. "Det är priset på kisel som råvara och de höga bearbetningskostnaderna som gör det svårt att få ner kostnaden för PV. Det vi behöver är celler som är lika effektiva men mycket billigare att tillverka."

Vissa "andra generationens" alternativa PV-material, såsom tunnfilms solceller, undersöks av industrin och har till och med kommersialiserats. Men prislappen för solenergi förblir hög med denna teknik, och fokus för den mesta PV-forskningen ligger nu på så kallade "tredje generationens" nanomaterial som de som studerats i Arnolds labb. "Nano" syftar på den anmärkningsvärt lilla storleken på dessa material; en nanometer är en miljarddels meter.

Arnolds strategi är att börja med mycket billiga material som, i princip, skulle kunna göras till solceller och sedan utarbeta ett sätt att få dem att fungera. För närvarande, Arnolds team fokuserar på kolbaserade nanomaterial som kallas grafen och kolnanorör. Dessa nanomaterial syntetiseras i labbet med en process som kallas kemisk ångavsättning, i vilka kolväten (gaser som metan (CH4) och eten (C2H4)) omvandlas till rent kol.

Vid produktion av grafen, kolväten reagerar med varandra på ett plant substrat där de avger vätgas (H2) som biprodukt och bildar grafen (rent C) på substratet. På det här sättet, stora underlag kan beläggas med kontinuerliga, atomärt tunna ark av grafen. För att producera ett kolnanorör, kolvätereaktionerna äger rum på änden av en sfärisk nanopartikel snarare än ett platt substrat, bildar en cylinder.

Slutresultatet är nanomaterial som inte alls består av molekyler, men är uppbyggda av endast ett enda lager av atomer.

"Dessa material är så tunna som du kan tänka dig ... du kan verkligen inte göra något tunnare, Arnold förklarar, gör det lätt att förstå varför det vetenskapliga samfundet ibland hänvisar till dessa material som "2D".

"När vi kommer ner till detta enda lager av atomer i grafen och kolnanorör, Arnold säger, "de är några av de bästa elektriska ledarna vi någonsin har upptäckt och deras elektroniska egenskaper är mycket lättare att kontrollera. De är kraftfulla ljusabsorbenter, relativt stabil, lätt att syntetisera, och billigt eftersom kol är så rikligt."

Arnolds team undersöker för närvarande användningen av både grafenark och kolnanorör i solceller. För ett projekt, hans team skapar kolnanorör med olika diametrar som absorberar olika våglängder av ljus; i en solcell, denna variation av diametrar kan bidra till att öka den totala ljusabsorptionen.

"Vi kan potentiellt utnyttja kraften av mycket mer ljus genom att variera nanorörets diameter, Arnold förklarar, "alla färger i regnbågen såväl som de i spektrumen som vi inte kan se."

Arnold är engagerad i att utforska potentialen hos kolbaserade nanomaterial som ett billigt sätt att utnyttja solens enorma kraft, och omvandla området för solenergi.

"Vi arbetar hårt för att bättre förstå deras egenskaper och prova dem i faktiska solceller på många olika sätt. Vi känner att vår nuvarande forskning för oss närmare den dag då vi verkligen kommer att se solpaneler på varje tak."