Una "alfombra voladora" mantiene los nanotubos alineados después de que crecen a partir de una superficie de grafeno, a los que están perfectamente unidos. El material híbrido demostró ser un cátodo eficiente para las células solares sensibilizadas por colorante desarrolladas en la Universidad de Rice. (Crédito:Grupo de Investigación N3L / Universidad Rice)
(Phys.org) —Científicos de la Universidad de Rice han inventado un cátodo novedoso que puede hacer Prácticas células solares sensibles a colorantes flexibles.
El científico del laboratorio de materiales de Rice, Jun Lou, creó el nuevo cátodo, uno de los dos electrodos de las baterías, a partir de nanotubos que están perfectamente unidos al grafeno y reemplazan los costosos y frágiles materiales a base de platino que se usaban a menudo en versiones anteriores.
El descubrimiento se informó en línea en la Royal Society of Chemistry's Revista de Química de Materiales A .
Las células solares sensibilizadas por colorante se han desarrollado desde 1988 y han sido objeto de innumerables experimentos en las clases de química de la escuela secundaria. Emplean tintes orgánicos baratos, extraído de frambuesas, que cubren las partículas conductoras de dióxido de titanio. Los tintes absorben fotones y producen electrones que salen de la celda para su uso; una línea de retorno completa el circuito al cátodo que se combina con un electrolito a base de yodo para refrescar el tinte.
Si bien no son tan eficientes como las células solares basadas en silicio para recolectar la luz solar y transformarla en electricidad, Las células solares sensibilizadas con colorante tienen ventajas para muchas aplicaciones, según el coautor principal Pei Dong, investigador postdoctoral en el laboratorio de Lou.
"La primera es que son de bajo costo, porque se pueden fabricar en un área normal, "Dijo Dong." No hay necesidad de una habitación limpia. Son semitransparentes para que se puedan aplicar al vidrio, y se pueden utilizar con poca luz; incluso funcionarán en un día nublado.
Paquetes de nanotubos de carbono alineados surgen de la superficie de una hoja de grafeno. Los millones de nanotubos que se muestran aquí están unidos covalentemente al grafeno, lo que significa que son esencialmente una sola superficie. El material inventado en Rice está siendo utilizado por científicos de materiales como cátodo para células solares sensibilizadas con colorante. (Crédito:Grupo de Investigación N3L / Universidad Rice)
"O en el interior, "Dijo Lou." Una empresa que comercializa células sensibilizadas con colorante las está incrustando en teclados y ratones de computadora para que nunca tenga que instalar baterías. La luz normal de la habitación es suficiente para mantenerlos vivos ".
El avance amplía una corriente de investigación en nanotecnología en Rice que comenzó con la invención del químico Robert Hauge en 2009 de una técnica de "alfombra voladora" para hacer crecer haces muy largos de nanotubos de carbono alineados. En su proceso, los nanotubos permanecieron unidos al sustrato superficial pero empujaron el catalizador hacia arriba a medida que crecían.
El híbrido de grafeno / nanotubos apareció hace dos años. Apodado "El vínculo de James" en honor a su inventor, El químico de arroz James Tour, el híbrido presenta una transición perfecta del grafeno al nanotubo. La base de grafeno se hace crecer mediante deposición química de vapor y se coloca un catalizador en un patrón en la parte superior. Cuando se calienta de nuevo, Los átomos de carbono en una materia prima en aerosol se adhieren al grafeno en el catalizador, que se eleva y permite que crezcan los nuevos nanotubos. Cuando los nanotubos dejen de crecer, el catalizador restante (la "alfombra") actúa como una tapa y evita que los nanotubos se enreden.
El material híbrido resuelve dos problemas que han frenado la aplicación comercial de células solares sensibilizadas con colorante, Dijo Lou. Primero, el grafeno y los nanotubos se cultivan directamente sobre el sustrato de níquel que sirve como electrodo, eliminando los problemas de adhesión que plagaron la transferencia de catalizadores de platino a electrodos comunes como el óxido conductor transparente.
Segundo, el híbrido también tiene menos resistencia de contacto con el electrolito, permitiendo que los electrones fluyan más libremente. La resistencia de transferencia de carga del nuevo cátodo, que determina qué tan bien se cruzan los electrones del electrodo al electrolito, resultó ser 20 veces más pequeño que para los cátodos a base de platino, Dijo Lou.
El científico del laboratorio de materiales de la Universidad de Rice, Jun Lou, creó células solares sensibilizadas con colorante flexible utilizando un híbrido de grafeno / nanotubos como cátodo. reemplazando el platino más caro y el óxido de estaño indio quebradizo. (Crédito:Grupo de Investigación N3L / Universidad Rice)
La clave parece ser la enorme superficie del híbrido, estimado en más de 2, 000 metros cuadrados por gramo. Sin interrupción de los enlaces atómicos entre nanotubos y grafeno, toda el área del material, dentro y fuera, se convierte en una gran superficie. Esto le da al electrolito muchas oportunidades de hacer contacto y proporciona una ruta altamente conductora para los electrones.
El laboratorio de Lou construyó y probó células solares con bosques de nanotubos de diferentes longitudes. El más corto, que mide entre 20-25 micrones, se cultivaron en 4 minutos. Se cultivaron otras muestras de nanotubos durante una hora y se midieron entre 100 y 150 micrones. Cuando se combina con un electrolito a base de sal de yoduro y un ánodo de óxido de indio y estaño flexible, dióxido de titanio y partículas de colorante orgánico que capturan la luz, las celdas más grandes tenían sólo 350 micrones de grosor, el equivalente a unas dos hojas de papel, y podían doblarse fácil y repetidamente.
El híbrido de grafeno / nanotubos conocido como "enlace de James" para el químico James Tour de la Universidad de Rice es clave para un cátodo eficiente y flexible para células solares sensibilizadas con colorante. Los nanotubos se cultivan con enlaces sin fisuras a la base de grafeno. (Crédito:Tour Group / Rice University)
Las pruebas encontraron que las células solares fabricadas con los nanotubos más largos produjeron los mejores resultados y alcanzaron un máximo de casi 18 miliamperios de corriente por centímetro cuadrado. en comparación con casi 14 miliamperios para las celdas de control basadas en platino. Las nuevas células solares sensibilizadas por colorante eran hasta un 20 por ciento mejores para convertir la luz solar en energía, con una eficiencia de hasta el 8,2 por ciento, en comparación con 6,8 para las células a base de platino.
Basado en un trabajo reciente sobre flexible, materiales de ánodos a base de grafeno de los laboratorios Lou y Tour y tintes sintetizados de alto rendimiento por otros investigadores, Lou espera que las células sensibilizadas con colorante encuentren muchos usos. "Estamos demostrando que todas estas nanoestructuras de carbono se pueden utilizar en aplicaciones reales, " él dijo.
Una muestra del híbrido grafeno / nanotubo cultivado en un sustrato flexible de níquel. El material híbrido se está probando en la Universidad de Rice como un cátodo eficiente para células solares sensibilizadas con colorante. (Crédito:Jeff Fitlow / Rice University)
