Un « tapis volant » maintient les nanotubes alignés après leur croissance à partir d'une surface de graphène, auxquels ils sont collés de façon transparente. Le matériau hybride s'est avéré être une cathode efficace pour les cellules solaires à colorant développées à l'Université Rice. (Crédit :N3L Research Group/Rice University)
(Phys.org) —Les scientifiques de l'Université Rice ont inventé une nouvelle cathode qui peut être bon marché, cellules solaires flexibles sensibilisées aux colorants pratiques.
Le scientifique des matériaux du laboratoire Rice Jun Lou a créé la nouvelle cathode, l'une des deux électrodes des batteries, à partir de nanotubes qui sont liés de manière transparente au graphène et remplacent les matériaux coûteux et cassants à base de platine souvent utilisés dans les versions antérieures.
La découverte a été signalée en ligne dans le Royal Society of Chemistry's Journal de la chimie des matériaux A .
Les cellules solaires à colorant sont en développement depuis 1988 et ont fait l'objet d'innombrables expériences en classe de chimie au lycée. Ils emploient des colorants organiques bon marché, tiré des goûts de framboises, qui recouvrent les particules conductrices de dioxyde de titane. Les colorants absorbent les photons et produisent des électrons qui sortent de la cellule pour être utilisés; une ligne de retour complète le circuit vers la cathode qui se combine avec un électrolyte à base d'iode pour rafraîchir le colorant.
Bien qu'elles ne soient pas aussi efficaces que les cellules solaires à base de silicium pour capter la lumière du soleil et la transformer en électricité, les cellules solaires à colorant présentent des avantages pour de nombreuses applications, selon le co-auteur principal Pei Dong, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Lou.
"La première est qu'ils sont bon marché, car ils peuvent être fabriqués dans une zone normale, " Dit Dong. " Il n'y a pas besoin d'une salle blanche. Ils sont semi-transparents, afin qu'ils puissent être appliqués au verre, et ils peuvent être utilisés dans la pénombre; ils fonctionneront même par temps nuageux.
Des faisceaux de nanotubes de carbone alignés jaillissent de la surface d'une feuille de graphène. Les millions de nanotubes montrés ici sont liés de manière covalente au graphène, ce qui signifie qu'ils sont essentiellement une surface unique. Le matériau inventé à Rice est utilisé par les scientifiques des matériaux comme cathode pour les cellules solaires à colorant. (Crédit :N3L Research Group/Rice University)
« Ou à l'intérieur, ", a déclaré Lou. "Une entreprise qui commercialise des cellules à colorant les intègre dans des claviers et des souris d'ordinateur afin que vous n'ayez jamais à installer de piles. La lumière normale de la pièce est suffisante pour les maintenir en vie."
Cette percée étend un courant de recherche en nanotechnologie à Rice qui a commencé avec l'invention en 2009 du chimiste Robert Hauge d'une technique de « tapis volant » pour faire croître de très longs faisceaux de nanotubes de carbone alignés. Dans sa démarche, les nanotubes sont restés attachés au substrat de surface mais ont poussé le catalyseur vers le haut au fur et à mesure de leur croissance.
L'hybride graphène/nanotube est apparu il y a deux ans. Surnommé « James' bond » en l'honneur de son inventeur, Le chimiste du riz James Tour, l'hybride présente une transition transparente du graphène au nanotube. La base de graphène est développée par dépôt chimique en phase vapeur et un catalyseur est disposé en un motif sur le dessus. Lorsqu'il est à nouveau chauffé, les atomes de carbone dans une matière première d'aérosol se fixent au graphène au niveau du catalyseur, qui décolle et permet aux nouveaux nanotubes de croître. Lorsque les nanotubes cessent de croître, le catalyseur restant (le "tapis") agit comme un capuchon et empêche les nanotubes de s'emmêler.
Le matériau hybride résout deux problèmes qui ont retardé l'application commerciale des cellules solaires à colorant, dit Lou. D'abord, le graphène et les nanotubes sont directement cultivés sur le substrat de nickel qui sert d'électrode, éliminer les problèmes d'adhérence qui ont affecté le transfert des catalyseurs de platine vers des électrodes communes comme l'oxyde conducteur transparent.
Seconde, l'hybride a également moins de résistance de contact avec l'électrolyte, permettant aux électrons de circuler plus librement. La résistance de transfert de charge de la nouvelle cathode, qui détermine dans quelle mesure les électrons passent de l'électrode à l'électrolyte, s'est avéré être 20 fois plus petit que pour les cathodes à base de platine, dit Lou.
Le scientifique des matériaux du laboratoire de l'Université Rice, Jun Lou, a créé des cellules solaires flexibles à colorant utilisant un hybride graphène/nanotube comme cathode, remplaçant le platine plus cher et l'oxyde d'indium-étain cassant. (Crédit :N3L Research Group/Rice University)
La clé semble être l'immense surface de l'hybride, estimé à plus de 2, 000 mètres carrés par gramme. Sans interruption des liaisons atomiques entre les nanotubes et le graphène, toute la surface du matériau, à l'intérieur et à l'extérieur, devient une grande surface. Cela donne à l'électrolyte de nombreuses possibilités d'établir un contact et fournit un chemin hautement conducteur pour les électrons.
Le laboratoire de Lou a construit et testé des cellules solaires avec des forêts de nanotubes de différentes longueurs. Le plus court, qui mesurait entre 20-25 microns, ont grandi en 4 minutes. D'autres échantillons de nanotubes ont été cultivés pendant une heure et mesuraient environ 100 à 150 microns. Lorsqu'il est combiné avec un électrolyte à base de sel d'iodure et une anode d'oxyde d'indium-étain flexible, du dioxyde de titane et des particules de colorant organique capturant la lumière, les plus grandes cellules n'avaient que 350 microns d'épaisseur, soit l'équivalent d'environ deux feuilles de papier, et pouvaient être pliées facilement et à plusieurs reprises.
L'hybride graphène/nanotube connu sous le nom de " James' Bond " pour le chimiste de l'Université Rice James Tour est la clé d'une cathode efficace et flexible pour les cellules solaires à colorant. Les nanotubes sont cultivés avec des liaisons sans couture à la base de graphène. (Crédit :Tour Group/Rice University)
Les tests ont révélé que les cellules solaires fabriquées à partir des nanotubes les plus longs produisaient les meilleurs résultats et plafonnaient à près de 18 milliampères de courant par centimètre carré, contre près de 14 milliampères pour les cellules de contrôle à base de platine. Les nouvelles cellules solaires à colorant étaient jusqu'à 20 % meilleures pour convertir la lumière du soleil en énergie, avec une efficacité allant jusqu'à 8,2 pour cent, contre 6,8 pour les cellules à base de platine.
Sur la base de travaux récents sur la flexibilité, des matériaux anodiques à base de graphène par les laboratoires Lou et Tour et des colorants haute performance synthétisés par d'autres chercheurs, Lou s'attend à ce que les cellules sensibilisées aux colorants trouvent de nombreuses utilisations. « Nous démontrons que toutes ces nanostructures de carbone peuvent être utilisées dans des applications réelles, " il a dit.
Un échantillon de l'hybride graphène/nanotube cultivé sur un substrat de nickel flexible. Le matériau hybride est testé à l'Université Rice en tant que cathode efficace pour les cellules solaires à colorant. (Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice)
