Carbon dots van mensenhaar stimuleren zonnecellen

QUT-onderzoekers hebben koolstofstippen gebruikt, gemaakt van mensenhaarafval afkomstig van een kapperszaak in Brisbane, om een ​​soort “pantser” te creëren om de prestaties van de allernieuwste zonnetechnologie te verbeteren.

In een studie gepubliceerd in de Journal of Materials Chemistry A, toonden de onderzoekers onder leiding van professor Hongxia Wang in samenwerking met universitair hoofddocent Prashant Sonar van QUT’s Center for Materials Science aan dat de koolstofnanodots kunnen worden gebruikt om de prestaties van perovskieten-zonnecellen te verbeteren.

Perovskites-zonnecellen, een relatief nieuwe fotovoltaïsche technologie, worden gezien als de beste PV-kandidaat om de komende jaren goedkope, zeer efficiënte zonnestroom te leveren. Ze hebben bewezen net zo effectief te zijn in energieomzettingsefficiëntie als de huidige commercieel verkrijgbare monokristallijne siliciumzonnecellen, maar de hindernis voor onderzoekers op dit gebied is om de technologie goedkoper en stabieler te maken.

In tegenstelling tot siliciumcellen zijn ze gemaakt met een samenstelling die gemakkelijk te vervaardigen is, en omdat ze flexibel zijn, kunnen ze worden gebruikt in scenario’s zoals kleding op zonne-energie, rugzakken die uw apparaten onderweg opladen en zelfs tenten die als zelfstandige stroom kunnen dienen. bronnen.

Dit is het tweede grote onderzoek dat voortkomt uit een van mensenhaar afgeleide carbon dots als multifunctioneel materiaal.

Vorig jaar leidde universitair hoofddocent Prashant Sonar een onderzoeksteam, waaronder onderzoeksteam Amandeep Singh Pannu van Centre for Materials Science, dat haarresten in koolstofnanodots veranderde door de haren af ​​te breken en ze vervolgens bij 240 graden Celsius te verbranden. In die studie toonden de onderzoekers aan dat de carbon dots kunnen worden omgezet in flexibele displays die kunnen worden gebruikt in toekomstige slimme apparaten.

In deze nieuwe studie gebruikten het onderzoeksteam van professor Wang, waaronder Dr. Ngoc Duy Pham, en de heer Pannu, in samenwerking met de groep van professor Prashant Sonar, uit nieuwsgierigheid de koolstofnanodots op perovskiet-zonnecellen. Het team van professor Wang had eerder ontdekt dat koolstofmaterialen met nanostructuur kunnen worden gebruikt om de prestaties van een cel te verbeteren.

Na het toevoegen van een oplossing van koolstofstippen aan het proces van het maken van de perovskieten, ontdekte het team van professor Wang dat de koolstofstippen een golfachtige perovskietlaag vormden waar de perovskietkristallen omgeven zijn door de koolstofstippen.

“Het creëert een soort beschermende laag, een soort pantser”, zei professor Wang.

“Het beschermt het perovskietmateriaal tegen vocht of andere omgevingsfactoren, die de materialen kunnen beschadigen.”

Uit de studie bleek dat perovskiet-zonnecellen bedekt met de koolstofstippen een hogere energieconversie-efficiëntie en een grotere stabiliteit hadden dan perovskiet-zonnecellen zonder de koolstofstippen.

Professor Wang doet al ongeveer 20 jaar onderzoek naar geavanceerde zonnecellen en werkt met perovskietcellen sinds ze ongeveer tien jaar geleden werden uitgevonden, met als hoofddoel het ontwikkelen van kosteneffectieve, stabiele fotovoltaïsche materialen en apparaten, om het energievraagstuk in de wereld.

“Ons uiteindelijke doel is om zonne-energie goedkoper, gemakkelijker toegankelijk en duurzamer te maken en om PV-apparaten licht van gewicht te maken omdat de huidige zonnecellen erg zwaar zijn,” zei professor Wang.

“De grote uitdagingen op het gebied van perovskietzonnecellen zijn het oplossen van de stabiliteit van het apparaat om 20 jaar of langer te kunnen werken en het ontwikkelen van een fabricagemethode die geschikt is voor productie op grote schaal.

“Momenteel zijn alle gerapporteerde hoogwaardige perovskiet-zonnecellen gemaakt in een gecontroleerde omgeving met een extreem laag vocht- en zuurstofgehalte, met een zeer klein celoppervlak dat praktisch onhaalbaar is voor commercialisering.

“Om de technologie commercieel levensvatbaar te maken, moeten uitdagingen voor de fabricage van efficiënte, stabiele, flexibele, perovskietzonnepanelen met een groot oppervlak tegen lage kosten worden overwonnen.

“Dit kan alleen worden bereikt door een diepgaand begrip van de materiaaleigenschappen bij grootschalige productie en onder industrieel compatibele omstandigheden.”

Professor Wang is vooral geïnteresseerd in hoe perovskietcellen in de toekomst kunnen worden gebruikt om ruimtevaartuigen aan te drijven.

Het internationale ruimtestation wordt aangedreven door vier zonnepanelen, die tot 120 kW elektriciteit kunnen opwekken. Maar een nadeel van de huidige technologie van PV’s in de ruimte is het gewicht van de nuttige lading om ze daar te krijgen.

Hoewel perovskiet veel lichter zou zijn, is een van de uitdagingen voor onderzoekers om perovskietcellen te ontwikkelen die bestand zijn tegen de extreme straling en het brede scala aan temperatuurschommelingen in de ruimte – van -185 graden tot meer dan 150 graden Celsius.

Professor Wang zei dat de oplossing tien jaar zou kunnen duren, maar onderzoekers bleven meer inzicht krijgen in het gebied.

Momenteel werkt het onderzoeksteam van professor Wang samen met professor Dmitri Golberg in het QUT Center for Materials Science om de eigenschappen van perovskietmaterialen onder extreme omgevingsomstandigheden te begrijpen, zoals sterke bestraling van een elektronenbundel en drastische temperatuurveranderingen.

“Ik ben vrij optimistisch gezien de mate waarin deze technologie tot dusver is verbeterd”, zei professor Wang.