27/08/2013 - Fabrican células solares basadas en grafeno

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La mayor parte de los recursos energéticos del mundo se generan cuando los rayos del sol golpean la Tierra. Cada año, 8.000 veces más energía solar se produce lo que se consume en todo el mundo. Aunque la radiación solar representa la mayor parte de la energía disponible renovable del mundo, sólo una pequeña parte de ella está actualmente aprovechada. Esto es debido al alto coste de producción e instalación de la tecnología comercial, a base de silicio fotovoltaico (PV) que es necesaria para convertir la energía solar en electricidad en su mayoría. 

Los investigadores están explorando alternativas de bajo costo, tales como orgánicos, nanoestructurados, o las células solares híbridas basadas en el grafeno, un material completamente de carbono. Este enfoque abre oportunidades para el desarrollo de dispositivos fotovoltaicos flexibles con alta eficiencia de conversión de energía, para uso en superficies curvas o transparentes, por ejemplo, las ventanas.

Para obtener altas eficiencias de conversión de energía, dispositivos fotovoltaicos completamente orgánico deben estar compuestas de una red interpenetrante de componentes donadores de electrones y aceptor de electrones, conocidos como células solares de heterounión granel (BHJs).Estos son creados usando ya sea mezclas de polímeros o de polímeros híbridos, mezclas de polímeros conjugados y C 60 derivados (fullereno). Sin embargo, ambos de estos diseños tienen limitaciones. Dispositivos fotovoltaicos completamente orgánicos sólo producen modestos eficiencia de conversión de energía debido al transporte de carga eficiente a través de las vías discontinuos en las películas BHJ. Y los basados ​​en C 60 derivados Todavía no cuestan lo suficientemente competitivo.

Para abordar estas cuestiones, se diseñaron dos dispositivos diferentes híbridos orgánicos / inorgánicos BHJ con una mejora de la eficiencia de conversión de energía. 1-5 El primer dispositivo utiliza el arseniuro de galio (GaAs) nanocables mezclados con un conjugado de polímero-poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) - para formar una película que consta de nanocables dispersos en una matriz de polímero. 1 por encima de un umbral de carga determinado, los nanocables de facilitar el ordenamiento molecular P3HT, lo que mejora el transporte de carga y los rendimientos de los dispositivos con> 2,3% de eficiencia de conversión de potencia.

El segundo dispositivo utiliza sulfuro de plomo (PbS) puntos cuánticos unidos a través de nanocables P3HT cristalinas injerto disolvente con ayuda y el intercambio de ligando. Esto resulta en la separación de fases orgánica / inorgánica controlada y una eficiencia de conversión de potencia máxima mejora de 4,1%. 2 Mediante la formación de células solares BHJ todo-inorgánicas compuestas de nanocables de óxido de zinc (ZnO) y los puntos cuánticos de PbS, la eficiencia de conversión de potencia supera 5%. 4

Junto con el desarrollo de células solares BHJ híbridos, hemos explorado el uso de grafeno como un material más eficaz, menos costosa la realización de electrodo para reemplazar óxido de indio y estaño (ITO), la elección actual de electrodos transparentes. El indio se utiliza en ITO es caro, mientras que el grafeno está hecho de carbono ubicuo, que es más barato.También proporciona otras ventajas, incluyendo flexibilidad, bajo peso, resistencia mecánica, química y robustez.

Sin embargo, la construcción de nanoestructuras semiconductoras directamente sobre el grafeno prístina para aplicaciones prácticas, sin menoscabo de sus propiedades eléctricas y estructurales, ha sido un desafío debido a la estable e inerte de grafeno sp 2 estructura híbrida. Se utilizó una serie de recubrimientos de polímeros para modificar sus propiedades. 5 Esto nos permitió unir una capa de nanocables de ZnO a ella, y entonces un material de revestimiento que absorbe la luz, ya sea los puntos cuánticos PBS o P3HT. A pesar de estas modificaciones, las propiedades innatas del grafeno se mantuvieron intactas.

Nuestro trabajo más reciente demuestra células solares híbridas de cátodo basados ​​en el grafeno (ver Figura 1 ) utilizando dos materiales fotoactivos diferentes, puntos cuánticos PBS y P3HT, con AM1.5G (una prueba de iluminación estándar) eficiencia de conversión de potencia de 4,2 y 0,5%, respectivamente. Nuestro método para la fabricación de nanoestructuras semiconductoras sobre el grafeno, a través de un proceso de ingeniería de interfaz, conserva las propiedades estructurales y eléctricas del grafeno.Esto hace que sea un reemplazo viable para el ITO en diversas configuraciones de los dispositivos fotovoltaicos, lo que abre una amplia gama de oportunidades para el desarrollo de dispositivos fotovoltaicos flexibles. Por otra parte, esta estructura también se puede aplicar a una variedad de dispositivos nanoelectrónicos, tales como LED.

En resumen, hemos descrito el diseño de células solares híbridos orgánicos / inorgánicos que ofrecen una gama de características atractivas, incluyendo eficiencias de conversión mejoradas. Actualmente estamos investigando otros sistemas fotovoltaicos flexibles de grafeno electrodos basados ​​y solución procesable con el objetivo de lograr el rendimiento del dispositivo comparable o superior a las de sus contrapartes convencionales.

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Referencias

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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