Un approccio promettente per realizzare celle solari poco costose, leggero e flessibile è usare il biologico (cioè, composti contenenti carbonio) invece di costosi, silicio altamente purificato. Ma un problema ostinato ha rallentato lo sviluppo di tali celle:i ricercatori hanno avuto difficoltà a trovare materiali appropriati per gli elettrodi per trasportare la corrente da e verso le celle. Nello specifico, è stato difficile realizzare elettrodi utilizzando materiali in grado di eguagliare la flessibilità delle cellule organiche, trasparenza e basso costo.

Il materiale standard utilizzato finora per questi elettrodi è indio-stagno-ossido, o ITO. Ma l'indio è costoso e relativamente raro, quindi la ricerca è stata avviata per un sostituto adeguato. Ora, un team di ricercatori del MIT ha escogitato un modo pratico per utilizzare un possibile sostituto costituito da carbonio poco costoso e onnipresente. Il materiale proposto è il grafene, una forma di carbonio in cui gli atomi formano un foglio piatto dello spessore di un solo atomo, disposti in una formazione simile a un filo di pollo.

Un'analisi su come utilizzare il grafene come elettrodo per tali celle solari è stata pubblicata il 17 dicembre sulla rivista Nanotecnologia , in un articolo dei professori del MIT Jing Kong e Vladimir Bulovic insieme a due dei loro studenti e un ricercatore post-dottorato.

Il grafene è trasparente, in modo che gli elettrodi realizzati con esso possano essere applicati alle celle solari organiche trasparenti senza bloccare la luce in ingresso. Inoltre, è flessibile, come le stesse celle solari organiche, quindi potrebbe far parte di installazioni che richiedono che il pannello segua i contorni di una struttura, come un tetto a motivi geometrici. ITO, al contrario, è rigido e fragile.

Il problema più grande nel far funzionare il grafene come elettrodo per le celle solari organiche è stato far aderire il materiale al pannello. Il grafene respinge l'acqua, quindi le procedure tipiche per produrre un elettrodo sulla superficie depositando il materiale da una soluzione non funzioneranno.

Il team ha provato una varietà di approcci per alterare le proprietà superficiali della cellula o per utilizzare soluzioni diverse dall'acqua per depositare il carbonio sulla superficie, ma nessuno di questi ha funzionato bene, dice Kong. Ma poi hanno scoperto che "doping" la superficie - cioè, introducendo una serie di impurità nella superficie - ha cambiato il modo in cui si è comportata, e ha permesso al grafene di legarsi saldamente. Come bonus, si è scoperto che il drogaggio ha anche migliorato la conduttività elettrica del materiale.

Mentre le caratteristiche specifiche dell'elettrodo di grafene differiscono da quelle dell'ITO che andrebbe a sostituire, le sue prestazioni complessive in una cella solare sono molto simili, dice Kong. E la flessibilità e la leggerezza delle celle solari organiche con elettrodi di grafene potrebbero aprire una varietà di applicazioni diverse che non sarebbero possibili con i convenzionali pannelli solari a base di silicio di oggi, lei dice. Per esempio, per la loro trasparenza possono essere applicati direttamente alle finestre senza bloccare la vista, e potrebbero essere applicati a pareti irregolari o superfici del tetto. Inoltre, potrebbero essere impilati sopra altri pannelli solari, aumentare la quantità di energia generata da una determinata area. E potrebbero anche essere piegati o arrotolati per un facile trasporto.

Mentre questa ricerca ha esaminato come adattare il grafene per sostituire uno dei due elettrodi su un pannello solare, Kong e i suoi colleghi stanno ora cercando di adattarlo anche all'altro elettrodo. Inoltre, l'uso diffuso di questa tecnologia richiederà nuove tecniche per la produzione su larga scala di grafene, un'area di ricerca molto attiva. Il lavoro in corso è stato finanziato dall'Eni-MIT Alliance Solar Frontiers Center e da una borsa di ricerca NSF.

Pietro Peumani, un assistente professore di ingegneria elettrica alla Stanford University, che non è stato coinvolto in questo studio, afferma che le celle solari organiche probabilmente diventeranno pratiche solo con lo sviluppo della tecnologia degli elettrodi trasparenti che è sia più economica che più robusta degli ossidi metallici convenzionali. Altri materiali sono allo studio come possibili sostituti, lui dice, ma questo lavoro rappresenta un "progresso molto importante" per rendere il grafene un elettrodo trasparente sostitutivo credibile.

“Altri gruppi avevano già dimostrato che il grafene mostra buone combinazioni di trasparenza e resistenza al foglio, ma nessuno è stato in grado di ottenere una prestazione con elettrodi di grafene che corrisponda a quella dei dispositivi su elettrodi convenzionali di ossido di metallo (ITO), ", dice Peumans. "Questo lavoro è una spinta sostanziale per rendere il grafene un candidato leader".