Wetenschappers van Stanford University hebben de allereerste geheel-uit-koolstof-bestaande zonnecel gebouwd, een veelbelovend alternatief voor de dure materialen die momenteel worden gebruikt bij het vervaardigen van fotovoltaïsche apparaten.
“Andere groepen claimden eerder een koolstof zonnecel te hebben gemaakt, maar die verwezen naar de actieve laag in het midden van de zonnecel, niet naar de electroden”, beweert Zhenan Bao, een hoogleraar chemische technologie uit Stanford.
Koolstof heeft het potentieel om hoge prestaties te leveren tegen een lage kostprijs. – Zhenan Bao
In tegenstelling tot de gekende starre silicium gebaseerde zonnepanelen die onze daken sieren, wordt de dunne film van Stanfords prototype aangebracht vanuit een oplossing. In de toekomst kunnen we wellicht uitkijken naar alternatieve markten die flexibele en uiterst wendbare zonnepanelen aanbrengen op het oppervlak van gebouwen, op ramen en vensters en op auto’s om electriciteit op te wekken.
“De coatingstechniek zou ook de productiekosten voor zonnecellen kunnen verlagen”, schat Michael Vosgueritchian in, Michael is mede-auteur van een artikel dat verscheen in de 31 oktober editie van ACSnano. “De verwerking van silicium-gebaseerde zonnecellen vergt vele stappen”, lichtte hij toe, en vervolgde… “Maar ons ganse apparaat kan gebouwd worden met behulp van eenvoudige coatingmethoden die geen dure gereedschappen en machines vereisen.”
De experimentele zonnecel van Bao’s groep bestaat uit een foto-actieve laag die zonlicht absorbeert, ingeklemd tussen twee elektroden. In een normale zonnecel worden de elektroden gemaakt van geleidende metalen en indium tin oxide (ITO). Maar materialen zoals indium zijn schaars en worden steeds duurder naarmate de vraag naar zonnepanelen, tochscreens en andere elektronische apparaten toeneemt.
Koolstof daartegenover is goedkoop en in overvloed hier op aarde.
Voor het onderzoek vervingen Bao en collega’s het zilver en ITO , gebruikt in conventionele elektroden, met grafeen. Grafeen is een atoomdik laagje koolstof in een hexagonaal structuur, 10 000 maal kleiner dan een menselijk haar, maar met buitengewone elektrische geleidbaarheid en licht-absorberende eigenschappen. Voor de actieve laag middenin maakte de wetenschappers gebruik van koolstof nanobuisjes en “buckyballs”, voetbal-vormige koolstof moleculen slecht een nanometer in diameter, genaamd naar de ontdekker Richard Buckminster “Bucky” Fuller. Een man die heel wat tijd van zijn leven spendeerde aan het bestuderen van geometrische vormen in meerdere dimensies.
Een nadeel van het prototype is dat het vooral infrarood golflengten absorbeert die bijdragen tot een laboratorium efficiëntie van minder dan één procent, veel lager dan gewone zonnecellen. Bao zegt dan ook dat ze duidelijk nog een lange weg te gaan hebben om de efficiëntie te verbeteren. Het Stanford team bekijkt verschillende manieren om de efficiëntie drastisch te verbeteren met behulp van betere verwerkingstechnieken en materialen.
“Ruwheid kan ervoor zorgen dat het apparaat kortsluiting geeft waardoor er moeilijk stroom doorheen komt. We moeten uitzoeken hoe je elke laag erg soepel maakt door de nanomaterialen goed te stapelen.” aldus Bao.
De onderzoekers expirementeren ook met koolstof nanomaterialen die meer licht in breder scala van golflengten kunnen absorberen, waaronder het zichtbare spectrum.
“Materialen gemaakt van koolstof zijn zeer robuust, ze blijven stabiel bij luchttemperaturen nabij 1100 graden Fahrenheit (593°C)”
“We geloven dat koolstof zonnecellen gebruikt kunnen worden in extreme omstandigheden, bij hoge temperaturen of bij hoge fysieke belasting” voegt Vosgueritchian aan toe. “Maar natuurlijk willen we het hoogste rendement mogelijk halen en werken aan manieren om onze apparaten te verbeteren.”
Bao besluit dat fotovoltaïsche zonne-energie zeker een belangrijke bron van vermogen zal zijn waar we energie zullen uit puren in de toekomst.
We hebben heel wat beschikbaar zonlicht, we moeten een manier bedenken om deze natuurlijke hulpsbron die ons gegeven is te gebruiken. -Zhenan Bao-
Bron: stanford.edu
Foto: Mark Shwartz