Un "tappeto volante" mantiene allineati i nanotubi dopo che sono cresciuti da una superficie di grafene, a cui sono legati senza soluzione di continuità. Il materiale ibrido si è rivelato un catodo efficiente per le celle solari sensibilizzate al colorante sviluppate alla Rice University. (Credito:N3L Research Group/Rice University)
(Phys.org) —Gli scienziati della Rice University hanno inventato un nuovo catodo che potrebbe essere economico, celle solari flessibili sensibilizzate al colorante pratiche.
Il laboratorio di riso dello scienziato dei materiali Jun Lou ha creato il nuovo catodo, uno dei due elettrodi nelle batterie, da nanotubi che sono legati senza soluzione di continuità al grafene e sostituiscono i costosi e fragili materiali a base di platino spesso utilizzati nelle versioni precedenti.
La scoperta è stata riportata online nella Royal Society of Chemistry's Journal of Materials Chemistry A .
Le celle solari sensibilizzate al colorante sono state sviluppate dal 1988 e sono state oggetto di innumerevoli esperimenti di chimica nelle scuole superiori. Impiegano coloranti organici a basso costo, ricavato da quelli come i lamponi, che ricoprono particelle conduttive di biossido di titanio. I coloranti assorbono fotoni e producono elettroni che fuoriescono dalla cella per l'uso; una linea di ritorno completa il circuito al catodo che si combina con un elettrolita a base di iodio per rinfrescare il colorante.
Sebbene non siano così efficienti come le celle solari a base di silicio nel raccogliere la luce solare e trasformarla in elettricità, le celle solari sensibilizzate al colorante presentano vantaggi per molte applicazioni, secondo il co-autore Pei Dong, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Lou.
"Il primo è che sono a basso costo, perché possono essere fabbricati in un'area normale, "Dong ha detto. "Non c'è bisogno di una camera pulita. sono semitrasparenti, in modo che possano essere applicati al vetro, e possono essere usati in penombra; funzioneranno anche in una giornata nuvolosa.
Fasci di nanotubi di carbonio allineati scaturiscono dalla superficie di un foglio di grafene. I milioni di nanotubi mostrati qui sono legati covalentemente al grafene, nel senso che sono essenzialmente una singola superficie. Il materiale inventato alla Rice viene utilizzato dagli scienziati dei materiali come catodo per celle solari sensibilizzate con coloranti. (Credito:N3L Research Group/Rice University)
"O al chiuso, Lou ha detto. "Una società che commercializza celle sensibilizzate a coloranti le sta incorporando nelle tastiere e nei mouse dei computer in modo da non dover mai installare le batterie. La normale luce della stanza è sufficiente per tenerli in vita."
La svolta estende un flusso di ricerca sulle nanotecnologie alla Rice che è iniziato con l'invenzione del chimico Robert Hauge del 2009 di una tecnica del "tappeto volante" per far crescere fasci molto lunghi di nanotubi di carbonio allineati. Nel suo processo, i nanotubi sono rimasti attaccati al substrato superficiale ma hanno spinto il catalizzatore verso l'alto mentre crescevano.
L'ibrido grafene/nanotubo è arrivato due anni fa. Soprannominato "Legame di James" in onore del suo inventore, Il chimico del riso James Tour, l'ibrido presenta una transizione senza soluzione di continuità dal grafene al nanotubo. La base di grafene viene coltivata tramite deposizione chimica da vapore e un catalizzatore è disposto in uno schema sopra. Quando riscaldato di nuovo, gli atomi di carbonio in una materia prima aerosol si attaccano al grafene nel catalizzatore, che si solleva e permette ai nuovi nanotubi di crescere. Quando i nanotubi smettono di crescere, il catalizzatore rimanente (il "tappeto") funge da tappo e impedisce ai nanotubi di aggrovigliarsi.
Il materiale ibrido risolve due problemi che hanno ostacolato l'applicazione commerciale di celle solari sensibilizzate al colorante, ha detto Lou. Primo, il grafene e i nanotubi vengono fatti crescere direttamente sul substrato di nichel che funge da elettrodo, eliminando i problemi di adesione che affliggevano il trasferimento dei catalizzatori al platino agli elettrodi comuni come l'ossido conduttore trasparente.
Secondo, l'ibrido ha anche una minore resistenza di contatto con l'elettrolita, permettendo agli elettroni di fluire più liberamente. La resistenza di trasferimento di carica del nuovo catodo, che determina quanto bene gli elettroni si incrociano dall'elettrodo all'elettrolita, è risultato essere 20 volte più piccolo rispetto ai catodi a base di platino, ha detto Lou.
Il laboratorio di ricerca dei materiali della Rice University Jun Lou ha creato celle solari flessibili sensibilizzate al colorante utilizzando un ibrido di grafene/nanotubo come catodo, sostituendo il più costoso platino e il fragile ossido di indio e stagno. (Credito:N3L Research Group/Rice University)
La chiave sembra essere l'enorme superficie dell'ibrido, stimato in più di 2, 000 metri quadrati per grammo. Senza interruzione dei legami atomici tra nanotubi e grafene, l'intera area del materiale, dentro e fuori, diventa un'unica grande superficie. Ciò offre all'elettrolita molte opportunità di entrare in contatto e fornisce un percorso altamente conduttivo per gli elettroni.
Il laboratorio di Lou ha costruito e testato celle solari con foreste di nanotubi di varie lunghezze. Il più corto, che misurava tra 20-25 micron, sono cresciuti in 4 minuti. Altri campioni di nanotubi sono stati fatti crescere per un'ora e hanno misurato circa 100-150 micron. Quando combinato con un elettrolita a base di sale ioduro e un anodo di ossido di indio stagno flessibile, biossido di titanio e particelle di colorante organico che catturano la luce, le celle più grandi erano spesse solo 350 micron, l'equivalente di circa due fogli di carta, e potevano essere piegate facilmente e ripetutamente.
L'ibrido grafene/nanotubo noto come "Legame di James" per il chimico della Rice University James Tour è la chiave per un catodo efficiente e flessibile per le celle solari sensibilizzate a colorante. I nanotubi sono cresciuti con legami senza soluzione di continuità alla base di grafene. (Credito:Tour Group/Rice University)
I test hanno scoperto che le celle solari realizzate con i nanotubi più lunghi hanno prodotto i migliori risultati e hanno raggiunto quasi 18 milliampere di corrente per centimetro quadrato, rispetto a quasi 14 milliampere per celle di controllo a base di platino. Le nuove celle solari sensibilizzate al colorante erano fino al 20% migliori nel convertire la luce solare in energia, con un'efficienza fino all'8,2%, rispetto a 6,8 per le cellule a base di platino.
Sulla base di un recente lavoro sulla flessibilità, materiali anodici a base di grafene dai laboratori Lou e Tour e coloranti ad alte prestazioni sintetizzati da altri ricercatori, Lou si aspetta che le cellule sensibilizzate al colorante trovino molti usi. "Stiamo dimostrando che tutte queste nanostrutture di carbonio possono essere utilizzate in applicazioni reali, " Egli ha detto.
Un campione dell'ibrido grafene/nanotubo cresciuto su un substrato di nichel flessibile. Il materiale ibrido è in fase di test presso la Rice University come catodo efficiente per celle solari sensibilizzate a colorante. (Credito:Jeff Fitlow/Rice University)
