(Phys.org) – Rice University forskare har uppfunnit en ny katod som kan göra billiga, flexibla färgsensibiliserade solceller praktiskt.

Materialforskaren Jun Lous rislabb skapade den nya katoden, en av de två elektroderna i batterier, från nanorör som är sömlöst bundna till grafen och ersätter de dyra och spröda platinabaserade materialen som ofta används i tidigare versioner.

Upptäckten rapporterades online i Royal Society of Chemistry's Journal of Materials Chemistry A .

Färgsensibiliserade solceller har varit under utveckling sedan 1988 och har varit föremål för otaliga kemiklassexperiment i gymnasiet. De använder billiga organiska färgämnen, hämtade från hallon, som täcker ledande titandioxidpartiklar. Färgämnena absorberar fotoner och producerar elektroner som flödar ut ur cellen för användning; en returledning fullbordar kretsen till katoden som kombineras med en jodbaserad elektrolyt för att fräscha upp färgen.

Även om de inte är lika effektiva som kiselbaserade solceller när det gäller att samla in solljus och omvandla det till elektricitet, färgsensibiliserade solceller har fördelar för många applikationer, enligt co-lead författaren Pei Dong, en postdoktor i Lous labb.

"Den första är att de är billiga, eftersom de kan tillverkas i ett normalt område, " sa Dong. "Det finns inget behov av ett rent rum. De är halvtransparenta, så att de kan appliceras på glas, och de kan användas i svagt ljus; de kommer till och med att arbeta på en molnig dag.

"Eller inomhus, ", sade Lou. "Ett företag som kommersialiserar färgkänsliga celler är att bädda in dem i datorns tangentbord och möss så att du aldrig behöver installera batterier. Normalt rumsljus är tillräckligt för att hålla dem vid liv."

Genombrottet utökar en ström av nanoteknologisk forskning vid Rice som började med kemisten Robert Hauges uppfinning 2009 av en "flygande matta"-teknik för att odla mycket långa buntar av inriktade kolnanorör. I sin process, nanorören förblev fästa vid ytsubstratet men tryckte upp katalysatorn när de växte.

Grafen/nanorörhybriden kom för två år sedan. Döpt till "James' bond" för att hedra dess uppfinnare, Riskemist James Tour, hybriden har en sömlös övergång från grafen till nanorör. Grafenbasen odlas via kemisk ångavsättning och en katalysator är anordnad i ett mönster ovanpå. När den värms upp igen, kolatomer i en aerosolråvara fäster sig vid grafenen vid katalysatorn, som lyfter och låter de nya nanorören växa. När nanorören slutar växa, den återstående katalysatorn ("mattan") fungerar som ett lock och hindrar nanorören från att trassla ihop sig.

Hybridmaterialet löser två problem som har hållit tillbaka kommersiell användning av färgsensibiliserade solceller, sa Lou. Först, grafenen och nanorören odlas direkt på nickelsubstratet som fungerar som en elektrod, eliminerar vidhäftningsproblem som plågade överföringen av platinakatalysatorer till vanliga elektroder som transparent ledande oxid.

Andra, hybriden har också mindre kontaktmotstånd med elektrolyten, låter elektronerna flöda mer fritt. Den nya katodens laddningsöverföringsmotstånd, som bestämmer hur väl elektroner passerar från elektroden till elektrolyten, visade sig vara 20 gånger mindre än för platinabaserade katoder, sa Lou.

Nyckeln verkar vara hybridens enorma yta, uppskattas till mer än 2, 000 kvadratmeter per gram. Utan avbrott i atombindningarna mellan nanorör och grafen, materialets hela område, ut och in, blir en stor yta. Detta ger elektrolyten gott om möjligheter att få kontakt och ger en mycket ledande bana för elektroner.

Lous labb byggde och testade solceller med nanorörsskogar av varierande längd. Den kortaste, som mätte mellan 20-25 mikron, odlades på 4 minuter. Andra nanorörsprover odlades under en timme och mätte cirka 100-150 mikron. När den kombineras med en jodsaltbaserad elektrolyt och en anod av flexibel indiumtennoxid, titandioxid och ljusfångande organiska färgpartiklar, de största cellerna var bara 350 mikron tjocka – motsvarande ungefär två pappersark – och kunde böjas enkelt och upprepade gånger.

Tester visade att solceller gjorda av de längsta nanorören gav de bästa resultaten och toppade med nästan 18 milliampere ström per kvadratcentimeter, jämfört med nästan 14 milliampere för platinabaserade kontrollceller. De nya färgsensibiliserade solcellerna var så mycket som 20 procent bättre på att omvandla solljus till kraft, med en effektivitet på upp till 8,2 procent, jämfört med 6,8 ​​för de platinabaserade cellerna.

Baserat på det senaste arbetet med flexibel, grafenbaserade anodmaterial från Lou och Tour labb och syntetiserade högpresterande färgämnen av andra forskare, Lou förväntar sig att färgsensibiliserade celler ska hitta många användningsområden. "Vi visar att alla dessa kolnanostrukturer kan användas i verkliga tillämpningar, " han sa.