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All-Carbon-Solarzellen werden billige und flexible Solarzellen bedeuten
Forscher der Stanford University haben mit einer großen Auswahl an neuartigen Nanomaterialien die ersten reinen Kohlenstoffsolarzellen gebaut. Ihre Kohlenstoff-Photovoltaik produziert nicht viel Strom, aber mit der Perfektionierung der Technologie könnten Vollcarbon-Zellen kostengünstig, druckbar, flexibel und robust genug sein, um extremen Umgebungen und Wetterbedingungen standzuhalten.
Kohlenstoffzelle: Die Vollcarbon-Solarzelle besteht aus einer photoaktiven Schicht zwischen zwei Elektroden.
Ziel sei es nicht, Solarzellen aus Silizium und anderen anorganischen Materialien zu ersetzen, sagt Zhenan Bao , Professor für Chemieingenieurwesen an der Stanford University, der die Arbeit leitete. Vielmehr geht es darum, neue Nischen zu besetzen. Kohlenstoff ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde und vielseitig einsetzbar, sagt Bao.
Kohlenstoff ist bemerkenswert zäh – atomdickes Graphen und lange, dünne Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind zwei der stärksten Materialien, die jemals getestet wurden. So könnte Kohlenstoff-Photovoltaik auf die Gebäudewände gesprüht oder aufgerollt in die Wüste gebracht werden. Verschiedene Formen von Kohlenstoff können gedruckt werden, um dünne, flexible, transparente und sogar dehnbare Elektronik herzustellen.
Aufgrund seiner Vielseitigkeit wurde Kohlenstoff in der einen oder anderen Form für die Herstellung jedes Solarzellenbauteils verwendet. Die drei Hauptteile – eine Nanoröhren-Kathode und eine Graphen-Anode, die eine aktive Schicht aus Nanoröhren und Buckyballs einschließen – wurden alle durch Drucken oder Aufdampfen von Tinten hergestellt.
Die Kathode zum Laufen zu bringen, war laut Bao der schwierigste Teil – Forscher hatten es schwer, Kohlenstoff-Nanomaterialien herzustellen, die Elektronen sammeln. Die Stanford-Forscher lösten das Problem, indem sie den richtigen Geschmack der Nanoröhren auswählten und sie chemisch behandelten. Diese Arbeit ist in der Zeitschrift beschrieben ACS Nano .
Die Voll-Carbon-Photovoltaik wandelt weniger als 1 Prozent der Lichtenergie in Strom um (zum Vergleich: Eine Silizium-Solarzelle wandelt rund 20 Prozent des Lichts in Strom um). Bao sagt jedoch, dass ihre Gruppe hauptsächlich mit Standardmaterialien gearbeitet hat, mit nur ein wenig Feinabstimmung. Einen Teil des Problems führt sie auf die Rauheit der Carbonfolien zurück, die Reisekosten auslöst, und sagt, dass man diese durch Bearbeitung der Verarbeitungsmethoden glätten könnte.
Kohlenstoff-Nanomaterialien seien noch relativ neue Materialien, sagt Bao. Es gibt viele Forschungen darüber, wie man ihre Eigenschaften kontrolliert und wie man sie verwendet.
IBM Yorktown-Forscher und 2011 MIT-Technologie-Überprüfung Auch der junge Innovator Fengnian Xia , der nicht an der Arbeit beteiligt ist, stimmt zu. Die Solarzellen brauchen qualitativ bessere Ausgangsmaterialien und Prozesse. Die Idee ist großartig, und dies ist eine gute erste Demonstration, aber für realistische Anwendungen ist sie noch nicht reif, sagt er.
Andere Gruppen konzentrieren sich auf die Herstellung besserer Kohlenstoffmaterialien für die aktiven Schichten der Photovoltaik. Nach theoretischen Berechnungen von Jeffrey Grossman Am MIT sollen Kohlenstoffsolarzellen einen Umwandlungswirkungsgrad von 13 Prozent erreichen können.
Damit Kohlenstoffsolarzellen kommerziell rentabel sind, sagt Shenqiang Ren , Assistant Professor für Chemie an der University of Kansas, muss ihre Effizienz 10 Prozent überschreiten. Rens Labor stellte diesen September den Umwandlungswirkungsgradrekord für Kohlenstoffsolarzellen (ausgestattet mit herkömmlichen Metallelektroden) bei 1,3 Prozent auf ACS Nano . So gut funktionierten die ersten Polymersolarzellen, bemerkt er.
Ren arbeitet mit Computermaterialwissenschaftlern, darunter auch Grossman, zusammen, um eine bessere Kohlenstoff-Photovoltaik zu entwickeln, indem er die richtigen Arten von Kohlenstoff-Nanomaterialien auswählt. Mit dieser Anleitung, sagt Ren, hat sein Labor bereits Kohlenstoffsolarzellen hergestellt, die 5 Prozent der Lichtenergie in Elektrizität umwandeln, und er erwartet, noch höher zu gehen.