27/08/2013 - Sie produzieren auf Grafen basierende Solarzellen

Menéame

Die meisten Ressourcen Die Energie der Welt entsteht, wenn die Sonnenstrahlen die Erde treffen. Jedes Jahr werden 8 000mal mehr Sonnenenergie erzeugt, was weltweit verbraucht wird. Obwohl die Sonnenstrahlung den größten Teil der verfügbaren erneuerbaren Energien der Welt ausmacht, wird nur ein kleiner Teil davon derzeit genutzt. Dies ist auf die hohen Kosten der Produktion und Installation der kommerziellen Technologie, auf der Grundlage von Photovoltaik Silizium (PV), die erforderlich ist, um Solarenergie in Strom meistens umwandeln. 

Forscher erforschen kostengünstige Alternativen wie organische, Nanostrukturierte, oder Hybrid-Solarzellen auf der Grundlage von Grafen, einem vollständig kohlenstoffhaltigen Material. Dieser Ansatz eröffnet Möglichkeiten für die Entwicklung flexibler Photovoltaikgeräte mit hoher Energieumwandlungseffizienz, für den Einsatz auf gebogenen oder transparenten Oberflächen, z. B. Fenstern.

Um hohe Energiekonvertierungseffizienzen zu erzielen, müssen vollständig organische Photovoltaik-Geräte aus einem interpenetranten Netzwerk von Elektronenspender-Komponenten und Elektronenakzeptor bestehen, die als Massen-Heterounion-Solarzellen (BHJs) bekannt sind.Diese werden entweder mit Mischungen aus Polymeren oder Hybridpolymeren, Mischungen aus Konjugatpolymeren und C 60 Derivate (Fulleren) erstellt. Allerdings haben beide dieser Entwürfe Einschränkungen. Vollorganisierte Photovoltaikgeräte erzeugen nur geringe Energieumwandlungseffizienz durch den effizienten Transport von Ladungen über die unkontinuierlichen Wege in BHJ-Filmen. Und C 60 Derivate kosten noch nicht genug Wettbewerb.

Um diese Fragen anzugehen, wurden zwei verschiedene organische/anorganische Hybrid-BHJ-Geräte mit einer Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz entwickelt. 1-5 Das erste Gerät verwendet Galliumarsenid (GaAs), das mit einem Polymer-Poly (3-hexylthiofen-Konjugat) (P3HT) gemischt ist, um einen Film zu bilden, der aus Nano-Kabeln besteht, die in einer Polymermatrix verstreut sind. 1 über einer bestimmten Lastschwelle die Nanokabel zur Erleichterung der molekularen Anordnung P3HT, wodurch der Ladetransport und die Leistung der Geräte mit einer Leistungsumwandlungseffizienz von> 2,3% verbessert werden.

Das zweite Gerät verwendet Bleisulfid (PbS) Quantenpunkte durch P3HT-Nano-Kabel-Kristalle Lösungsmittel-Transplantat mit Hilfe und Ligand Austausch verbunden. Dies führt zu kontrollierter organisch/anorganischer Phasentrennung und einer maximalen Leistungsumwandlungseffizienz von 4,1%. 2 Durch die Bildung all-anorganischer BHJ-Solarzellen, die aus Zinkoxid-Nanokabeln (ZnO) und PbS-Quantikpunkten bestehen, übersteigt die Leistungsumwandlungseffizienz 5%. 4

Zusammen mit der Entwicklung von Hybrid-BHJ-Solarzellen haben wir die Verwendung von Grafen als wirksameres Material erforscht, das weniger teuer ist, um Elektroden zum Austausch von Indianeroxid und Zinn (ITO) zu entwickeln, die aktuelle Wahl von transparenten Elektroden. Der Indianer wird in ITO verwendet ist teuer, während Grafen aus ubiquonischem Kohlenstoff hergestellt ist, der billiger ist.Es bietet auch andere Vorteile, einschließlich Flexibilität, geringes Gewicht, mechanische Festigkeit, Chemie und Robustheit.

Der Bau von Halbleiternanostruktur direkt auf dem Pristingrafen für praktische Anwendungen, ohne die elektrischen und strukturellen Eigenschaften zu beeinträchtigen, war jedoch eine Herausforderung aufgrund der stabilen und inerten Grafen sp 2 Hybridstruktur. Zur Änderung ihrer Eigenschaften wurde eine Reihe von Polymerbeschichtungen verwendet. 5 Dadurch konnten wir eine Schicht von ZnO-Nanokabeln mit ihr verbinden, und dann ein Beschichtungsmaterial, das Licht absorbiert, sei es die PBS- oder P3HT-Quantikpunkte. Trotz dieser Veränderungen blieben die angeborenen Eigenschaften von Grafen intakt.

Unsere jüngste Arbeit zeigt Hybrid-Grafen-basierte Solarzellen (siehe Abbildung). 1 ) mit zwei verschiedenen photoaktiven Materialien, PBS- und P3HT-Quantikpunkten, mit AM1.5G (Standardbeleuchtungstest) Leistungsumwandlungseffizienz von 4,2 bzw. 0,5%. Unsere Methode für die Herstellung von Halbleiternanostrukturen auf Grafen durch einen Prozess der Interface Engineering behält die strukturellen und elektrischen Eigenschaften von Grafen.Dies macht es zu einem praktikablen Ersatz für ITO in verschiedenen Konfigurationen von Photovoltaikgeräten, die eine breite Palette von Möglichkeiten für die Entwicklung flexibler photovoltaischer Geräte eröffnet. Darüber hinaus kann diese Struktur auch auf eine Vielzahl von nanoelektronischen Geräten wie LED angewendet werden.

Kurz gesagt, wir haben das Design von organischen/anorganischen Hybrid-Solarzellen beschrieben, die eine Reihe von attraktiven Funktionen, einschließlich verbesserter Umwandlungseffizienzen bieten. Wir untersuchen derzeit andere flexible Photovoltaik-Systeme von Graffitielektroden und Prozessorlösung, um die Leistung des Geräts zu erreichen, die mit den konventionellen Gegenparteien vergleichbar oder höher ist.

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Referenzen

1. S. Ren, N. Zhao, S. Crawford, M. Tambe, V. Bulovic, S. Gradečak, Heterojunction photovoltaics using GaAs nanowires and conjugated polymers, Nano Lett. 11, p. 408, 2011.

2. S. Ren, L.-Y. Chang, S. K. Lim, J. Zhao, M. Smith, N. Zhao, V. Bulovic, M. Bawendi, S. Gradečak, Inorganic-organic hybrid solar cell: bridging quantum dots to conjugated polymer nanowires, Nano Lett. 11, p. 3998, 2011.

3. S. Ren, M. Bernardi, R. R. Lunt, V. Bulovic, J. C. Grossman, S. Gradečak, Towards efficient carbon nanotube/P3HT solar cells: active layer morphology, electrical, and optical properties, Nano Lett. 11, p. 5316, 2011.

4. J. Jean, S. Chang, P. R. Brown, J. J. Cheng, P. H. Rekemeyer, M. G. Bawendi, S. Gradečak, V. Bulovic, Nanowire arrays for enhanced photocurrent in quantum dot solar cells, Adv. Mater. 25, p. 2790, 2013.

5. H. Park, S. Chang, J. Jean, J. J. Cheng, P. T. Araujo, M. Wang, M. Bawendi, M. S. Dresselhaus, V. Bulovic, J. Kong, S. Gradečak, Graphene cathode-based ZnO nanowire hybrid solar cells, Nano Lett. 13, p. 233, 2013.

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