(Phys.org) -- Sfruttando le favorevoli proprietà elettriche e ottiche del grafene, e poi aggiungendo un drogante organico, i ricercatori hanno raggiunto la più alta efficienza di conversione dell'energia mai ottenuta per una cella solare a base di grafene. L'efficienza di conversione di potenza dell'1,9% dei dispositivi non drogati aumenta di oltre quattro volte fino all'8,6% dopo il drogaggio.

I ricercatori, guidato da Sefaattin Tongay e Arthur F. Hebard presso l'Università della Florida a Gainesville, hanno pubblicato il loro studio sulle celle solari al grafene ad alta efficienza in un recente numero di Nano lettere .

“Ecco, non solo abbiamo sfruttato la bella trasparenza ottica del grafene, ma abbiamo anche ridotto la resistenza elettrica del grafene regolando il livello di Fermi di grafene utilizzando uno strato di rivestimento organico economico ed ecologicamente stabile, "Tongay ha detto Phys.org . “Durante questo passaggio, La natura ci ha favorito fornendo una rettifica più elevata e un campo elettrico all'interfaccia, migliorando ulteriormente l'efficienza della cella solare”.

Nelle nuove celle solari, un singolo strato di grafene posto sopra un wafer di silicio funge da giunzione Schottky, il componente principale di semplici dispositivi fotovoltaici chiamati celle solari a giunzione Schottky.

Sotto illuminazione, le coppie elettrone-lacuna sono fotogenerate nel silicio. Gli elettroni e le lacune fotogenerati sono separati dal potenziale elettrico incorporato della giunzione Schottky e raccolti dai contatti di grafene e semiconduttore con carica opposta. Questo flusso di corrente unidirezionale (elettroni che scorrono in una direzione e buchi nell'altra) è una proprietà che definisce la giunzione Schottky e consente la generazione di energia dal dispositivo.

Mentre le celle solari a giunzione Schottky a base di grafene sono state dimostrate in passato, qui i ricercatori hanno fatto un passo in più e hanno drogato il grafene con la sostanza chimica organica TFSA utilizzando un semplice metodo di spin-casting.

Il doping ha permesso ai ricercatori di regolare il livello di Fermi del grafene (una misura dell'energia potenziale degli elettroni), che ha portato a due cambiamenti che hanno migliorato l'efficienza complessiva delle celle solari:una riduzione della resistenza del grafene e un aumento del potenziale integrato della cella solare, che porta ad una separazione più efficiente delle coppie elettrone-lacuna generate dai fotoni assorbiti.

Con la loro efficienza dell'8,6%, i dispositivi drogati forniscono un significativo miglioramento dell'efficienza rispetto ad altre celle solari a giunzione Schottky a base di grafene, che finora hanno dimostrato efficienze di conversione di potenza comprese tra 0,1% e 2,86%.

Rispetto alle celle solari a giunzione Schottky che utilizzano ossido di indio e stagno, quelli che usano il grafene hanno diversi vantaggi. Ad esempio, la capacità di regolare le proprietà del grafene consente ai ricercatori di ottimizzare l'efficienza delle celle solari e di utilizzare lo strato di grafene su altri semiconduttori oltre al silicio.

I ricercatori sperano che i metodi usati qui, che sono semplici e scalabili, può portare a ulteriori miglioramenti del dispositivo e applicazioni pratiche in futuro.

“Ci aspettiamo che l'efficienza possa essere ulteriormente migliorata ingegnerizzando l'interfaccia, utilizzando diversi strati di rivestimento organico che producono effetti di drogaggio più elevati, migliorare la qualità del grafene e la procedura di trasferimento del grafene, utilizzando strati antiriflesso, e numerosi altri metodi conosciuti dalla comunità delle celle solari, "Ha detto Tongay. "Questo è solo un inizio".

Hebard ha aggiunto che ulteriori scoperte sulla fisica del grafene dovrebbero portare a celle solari più efficienti ed economiche.

"Il nostro aumento dell'efficienza di conversione della potenza descritto con la semplice applicazione di un overlayer organico stabile è solo l'inizio, ” ha detto. “Il grafene e i suoi derivati ​​continuano a sorprenderci con proprietà insolite (forza, flessibilità, barriera alla diffusione, energia di Fermi sintonizzabile, spettro elettronico lineare, eccetera). Ulteriori progressi arriveranno con una comprensione più profonda della fisica di come i fotoni in arrivo creano in modo efficiente elettroni e buchi, che vengono poi separati e raccolti nella nostra configurazione descritta. Questa conoscenza dovrebbe essere applicabile alla ricerca di substrati alternativi al silicio (vengono in mente i materiali organici e i polimeri), che sono meno costosi e possono essere applicati a grandi aree.

“E' chiaro che la ricerca sul grafene e sui suoi derivati ​​è già alla luce del sole; ci aspettiamo che il nostro lavoro sulle celle solari lo manterrà lì”.

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