211service.com
All-carbon zonnecellen zullen goedkope en flexibele zonnepanelen betekenen
Met behulp van een grabbelton met nieuwe nanomaterialen hebben onderzoekers van Stanford University de eerste volledig koolstofzonnecellen gebouwd. Hun koolstoffotovoltaïsche cellen produceren niet veel elektriciteit, maar naarmate de technologie geperfectioneerd is, kunnen volledig koolstofcellen goedkoop, bedrukbaar, flexibel en sterk genoeg zijn om extreme omgevingen en weersomstandigheden te weerstaan.
Koolstof cel: De all-carbon zonnecel bestaat uit een fotoactieve laag tussen twee elektroden.
Het doel is niet om zonnecellen gemaakt van silicium en andere anorganische materialen te vervangen, zegt Zhenan Bao , hoogleraar chemische technologie aan de Stanford University, die het werk leidde. Het is eerder bedoeld om nieuwe niches te vullen. Koolstof is een van de meest voorkomende elementen op aarde en het is veelzijdig, zegt Bao.
Koolstof is opmerkelijk taai: atoomdik grafeen en lange, dunne koolstofnanobuisjes zijn twee van de sterkste materialen die ooit zijn getest. Dus fotovoltaïsche koolstof kan op de zijkanten van gebouwen worden gespoten, of worden opgerold en de woestijn in worden gebracht. Er kunnen verschillende vormen van koolstof worden bedrukt om dunne, flexibele, transparante en zelfs rekbare elektronica te maken.
Dankzij zijn veelzijdigheid werd koolstof in een of andere vorm gebruikt om elk onderdeel van een zonnecel te maken. De drie belangrijkste onderdelen - een nanobuiskathode en een grafeenanode met daartussen een actieve laag gemaakt van nanobuisjes en buckyballs - werden allemaal gemaakt door te printen of te verdampen uit inkt.
De kathode laten werken was het lastigste deel, zegt Bao - onderzoekers hebben het moeilijk gehad om koolstofnanomaterialen te maken die elektronen verzamelen. De Stanford-onderzoekers losten het probleem op door de juiste smaak van nanobuisjes te kiezen en ze een chemische behandeling te geven. Dit werk wordt beschreven in het tijdschrift ACS Nano .
De volledig koolstof fotovoltaïsche cellen zetten minder dan 1 procent van de energie in licht om in elektriciteit (ter vergelijking: een siliciumzonnecel zet ongeveer 20 procent van het licht om in elektriciteit). Bao zegt echter dat haar groep voornamelijk met kant-en-klare materialen werkte, met slechts een beetje afstemming. Ze schrijft een deel van het probleem toe aan de ruwheid van de koolstoffilms, waardoor de reiskosten stijgen, en zegt dat het mogelijk moet zijn om ze glad te strijken door aan de verwerkingsmethoden te werken.
Koolstof nanomaterialen zijn nog relatief nieuwe materialen, zegt Bao. Er is veel onderzoek gedaan naar hoe ze hun eigenschappen kunnen beheersen en hoe ze te gebruiken.
IBM Yorktown-onderzoeker en 2011 MIT Technology Review jonge innovator Fengnian Xia, die niet bij het werk betrokken is, is het ermee eens en zegt dat de zonnecellen hoogwaardigere uitgangsmaterialen en processen nodig hebben. Het idee is geweldig, en dit is een goede eerste demonstratie, maar het is nog niet klaar voor realistische toepassingen, zegt hij.
Andere groepen zijn gericht op het maken van betere koolstofmaterialen voor de actieve lagen van fotovoltaïsche cellen. Volgens theoretische berekeningen van Jeffrey Grossman bij MIT moeten koolstofzonnecellen een conversie-efficiëntie van 13 procent kunnen bereiken.
Om koolstofzonnecellen commercieel levensvatbaar te maken, zegt: Shenqiang Ren , assistent-professor scheikunde aan de Universiteit van Kansas, moet hun efficiëntie de 10 procent overschrijden. Ren's lab vestigde het conversie-efficiëntierecord voor koolstofzonnecellen (uitgerust met conventionele metalen elektroden) in september op 1,3 procent, in werk dat verscheen in ACS Nano . Dat is ongeveer hoe goed de eerste polymere zonnecellen presteerden, merkt hij op.
Ren werkt samen met computationele materiaalwetenschappers, waaronder Grossman, om betere koolstoffotovoltaïsche energie te ontwerpen door de juiste soorten koolstofnanomaterialen te kiezen. Met deze begeleiding, zegt Ren, heeft zijn laboratorium al koolstofzonnecellen gemaakt die 5 procent van de lichtenergie omzetten in elektriciteit, en hij verwacht nog hoger te gaan.