Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda zbudowali pierwsze w pełni węglowe ogniwo słoneczne

- Węgiel ma potencjał, aby zapewnić wysoką wydajność przy niskich kosztach - mówi główna autorka badań Zhenan Bao, profesor inżynierii chemicznej w Stanford. - Być może w przyszłości będzie można dotrzeć na inne rynki, gdzie elastyczne węglowe ogniwa słoneczne pokryją powierzchnie budynków czy okien lub znajdą się na samochodach i posłużą do wytwarzania energii elektrycznej.

W przeciwieństwie do sztywnych krzemowych paneli słonecznych, które zdobią liczne dachy, cienki prototyp ze Stanford wykonany jest z materiałów węglowych, które mogą być pokryciem przygotowywanym jako roztwór. Przygotowanie krzemowych ogniw słonecznych wymaga wielu kroków. Urządzenie fotowoltaiczne oparte na ogniwach węglowych może być zbudowane przy użyciu prostych metod powlekania, które nie wymagają drogich narzędzi i maszyn.

Nanomateriały węglowe

Eksperymentalne ogniwo słoneczne grupy profesor Bao składa się z warstwy światłoczułej, która absorbuje światło słoneczne, umieszczonej pomiędzy dwoma elektrodami. W typowym cienkowarstwowym ogniwie elektrody wykonane są z przewodzącego metalu i tlenku indu. - Materiały takie jak ind są rzadkie i coraz bardziej kosztowne, a popyt na ogniwa słoneczne, panele dotykowe i inne urządzenia elektroniczne rośnie. Z drugiej strony węgiel jest tani i występuje na Ziemi powszechnie - mówi profesor Zhenan Bao.

Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda wykorzystują do badań srebro i tlenek indu stosowany w konwencjonalnych elektrodach z grafenem. Nanorurki węglowe mają niezwykłe przewodnictwo elektryczne i unikalne właściwości w zakresie absorpcji światła. W warstwie aktywnej wykorzystywany jest materiał złożony z nanorurek węglowych i "fulerenów" - kulistych cząsteczek węgla, mających tylko jeden nanometr średnicy.

- Każdy element naszego ogniwa słonecznego jest od góry do dołu wykonany z materiałów węglowych. Inne grupy badawcze również informują o wykonaniu ogniw węglowych, ale odnosi się to tylko do ich środkowej warstwy czynnej, a nie elektrod - wyjaśnia uczestnik badań, Michael Vosgueritchian.

Wadą prototypu węglowego jest przede wszystkim to, że absorbuje długości fali świetlnej w pobliżu podczerwieni. Przyczynia się to do spadku efektywności poniżej 1% - znacznie niżej niż w dostępnych ogniwach słonecznych.

Dążenie do poprawy efektywności

Uniwersytecki zespół ze Stanford próbuje różnych sposobów, aby poprawić wydajność. Chropowatość może wywoływać w urządzeniu zwarcia i sprawia, że trudno jest odbierać prąd. Badacze chcą uzyskać gładkość każdej warstwy dzięki precyzyjnemu układaniu nanomateriałów. Grupa eksperymentuje również z nanomateriałami węglowymi, które pochłaniają więcej światła w szerszym zakresie długości fal, w tym w zakresie widzialnym.

Są też opinie, że zdolność węglowych ogniw słonecznych do pracy w ekstremalnych warunkach może przezwyciężyć potrzebę większej efektywności. Materiały wykonane z węgla są bardzo wytrzymałe - pozostają stabilne w temperaturach powietrza prawie 1100 stopni Fahrenheita (ponad 590°C).

Przy budowie pierwszego w pełni węglowego ogniwa słonecznego pracowali także: Peng Wei ze Stanford oraz Chenggong Wang i Yongli Gao z Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Rochester. Badania były finansowane przez Uniwersytet Stanforda (Global Climate and Energy Project) oraz Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (Air Force Office for Scientific Research).

źródło i zdjęcia: Stanford University