Deux molécules de graphène (gris foncé) sont mises en cage par des groupes latéraux (bleu) attachés à chaque feuille de graphène. Les groupes latéraux aident à empêcher les feuilles de graphène de s'empiler, comme ils sont enclins à le faire. Crédit :Image de Liang-shi Li
Pour rendre de grandes feuilles de carbone disponibles pour la collecte de la lumière, Les chimistes de l'Université de l'Indiana à Bloomington ont mis au point une solution inhabituelle :attachez ce qui équivaut à un patch de ronce en 3D de chaque côté de la feuille de carbone. En utilisant cette méthode, les scientifiques disent qu'ils étaient capables de dissoudre des feuilles contenant jusqu'à 168 atomes de carbone, une première.
Le rapport des scientifiques, en ligne aujourd'hui (9 avril), paraîtra dans un prochain numéro de Lettres nano , un journal de l'American Chemical Society.
« Notre intérêt vient de vouloir trouver une alternative, matériau facilement disponible qui peut absorber efficacement la lumière du soleil, " a déclaré le chimiste Liang-shi Li, qui a dirigé la recherche. « À l'heure actuelle, les matériaux les plus courants pour absorber la lumière dans les cellules solaires sont le silicium et les composés contenant du ruthénium. Chacun présente des inconvénients.
Leur principal inconvénient est le coût et la disponibilité à long terme. Les cellules solaires à base de ruthénium peuvent potentiellement être moins chères que celles à base de silicium, mais le ruthénium est un métal rare sur Terre, aussi rare que le platine, et s'épuisera rapidement lorsque la demande augmentera.
Le carbone est bon marché et abondant, et sous forme de graphène, capable d'absorber une large gamme de fréquences lumineuses. Le graphène est essentiellement la même chose que le graphite (mine de crayon), sauf que le graphène est une seule feuille de carbone, un atome d'épaisseur. Le graphène est prometteur en tant que produit efficace, bon marché à produire, et une alternative moins toxique aux autres matériaux actuellement utilisés dans les cellules solaires. Mais cela a également contrarié les scientifiques.
Pour qu'une feuille de graphène soit utile à la collecte de photons de lumière, la feuille doit être grande. Pour utiliser l'énergie solaire absorbée pour l'électricité, cependant, la feuille ne doit pas être trop grande. Malheureusement, les scientifiques ont du mal à travailler avec de grandes feuilles de graphène, et leurs tailles encore plus difficiles à contrôler. Plus la feuille de graphène est grande, plus c'est collant, ce qui le rend plus susceptible d'attirer et de glom sur d'autres feuilles de graphène. Plusieurs couches de graphène peuvent être utiles pour prendre des notes, mais ils empêchent aussi l'électricité.
Les chimistes et les ingénieurs qui expérimentent le graphène ont mis au point toute une série de stratégies pour séparer les feuilles de graphène individuelles. La solution la plus efficace avant le Lettres nano le papier a brisé le graphite (de haut en bas) en feuilles et a enveloppé des polymères autour d'eux pour les isoler les uns des autres. Mais cela donne des feuilles de graphène de tailles aléatoires trop grandes pour l'absorption de la lumière par les cellules solaires.
Il s'agit d'une vue 2-D d'une feuille de graphène (noir) et des groupes latéraux attachés (bleu) que le chimiste de l'IU Bloomington Liang-shi Li et ses collaborateurs ont conçus. En réalité, chaque groupe latéral tourne à environ 90 degrés hors du plan du graphène. Les trois bleus, les hydrocarbures en forme de queue de chaque groupe latéral ont une grande liberté de mouvement, mais deux sont susceptibles de planer au-dessus du graphène, ce qui rend très improbable qu'une feuille de graphène en touche une autre. Crédit :Image de Liang-shi Li
Li et ses collaborateurs ont essayé une idée différente. En attachant un semi-rigide, semi-flexible, groupe latéral tridimensionnel sur les côtés du graphène, ils ont réussi à empêcher les feuilles de graphène de 168 atomes de carbone d'adhérer les unes aux autres. Avec cette méthode, ils pourraient fabriquer les feuilles de graphène à partir de molécules plus petites (de bas en haut) afin qu'elles soient de taille uniforme. A la connaissance des scientifiques, c'est la plus grande feuille de graphène stable jamais réalisée avec l'approche ascendante.
Le groupe latéral se compose d'un anneau de carbone hexagonal et de trois longs, queues barbelées faites de carbone et d'hydrogène. Parce que la feuille de graphène est rigide, l'anneau du groupe latéral est forcé de tourner d'environ 90 degrés par rapport au plan du graphène. Les trois queues de ronce sont libres de fouetter, mais deux d'entre eux auront tendance à enserrer la feuille de graphène à laquelle ils sont attachés.
Les queues n'agissent pas seulement comme une cage, toutefois. Ils servent également de poignée pour le solvant organique afin que toute la structure puisse être dissoute. Li et ses collègues ont réussi à dissoudre 30 mg de l'espèce par 30 ml de solvant.
"Dans ce document, nous avons trouvé une nouvelle façon de rendre le graphène soluble, " a dit Li. " C'est tout aussi important que la taille relativement grande du graphène lui-même. "
Pour tester l'efficacité de leur accepteur de lumière au graphène, les scientifiques ont construit des cellules solaires rudimentaires en utilisant du dioxyde de titane comme accepteur d'électrons. Les scientifiques ont pu atteindre une densité de courant de 200 microampères par cm carré et une tension en circuit ouvert de 0,48 volt. Les feuilles de graphène ont absorbé une quantité importante de lumière dans la gamme visible à proche infrarouge (200 à 900 nm environ) avec un pic d'absorption se produisant à 591 nm.
Les scientifiques sont en train de reconcevoir les feuilles de graphène avec des extrémités collantes qui se lient au dioxyde de titane, ce qui améliorera l'efficacité des cellules solaires.
"Récolter l'énergie du soleil est une étape préalable, " Li a dit. " Comment transformer l'énergie en électricité est la prochaine. Nous pensons que nous avons un bon départ."
