p (Phys.org) —Os cientistas da Rice University inventaram um novo cátodo que pode ser barato, células solares sensíveis a corantes flexíveis e práticas. p O cientista do laboratório de materiais Rice Jun Lou criou o novo cátodo, um dos dois eletrodos nas baterias, de nanotubos que são perfeitamente ligados ao grafeno e substituem os materiais caros e frágeis à base de platina frequentemente usados ​​em versões anteriores.

p A descoberta foi relatada online na Royal Society of Chemistry's Journal of Materials Chemistry A .

p As células solares sensibilizadas por corante estão em desenvolvimento desde 1988 e foram o assunto de incontáveis ​​experimentos de classe de química do ensino médio. Eles empregam corantes orgânicos baratos, tirado de framboesas, que cobrem partículas condutoras de dióxido de titânio. Os corantes absorvem fótons e produzem elétrons que fluem para fora da célula para uso; uma linha de retorno completa o circuito para o cátodo que se combina com um eletrólito à base de iodo para atualizar o corante.

p Embora não sejam tão eficientes quanto as células solares à base de silício na coleta da luz solar e na sua transformação em eletricidade, células solares sensibilizadas com corante têm vantagens para muitas aplicações, de acordo com o co-autor Pei Dong, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Lou.

p "A primeira é que são de baixo custo, porque eles podem ser fabricados em uma área normal, "Dong disse." Não há necessidade de uma sala limpa. Eles são semitransparentes, para que possam ser aplicados ao vidro, e podem ser usados ​​com pouca luz; eles vão trabalhar até mesmo em um dia nublado.

p "Ou dentro de casa, "Lou disse." Uma empresa que comercializa células sensibilizadas por corante está incorporando-as em teclados e mouses de computador para que você nunca precise instalar baterias. A luz normal da sala é suficiente para mantê-los vivos. "

p A descoberta amplia um fluxo de pesquisas em nanotecnologia na Rice, que começou com a invenção do químico Robert Hauge em 2009 de uma técnica de "tapete voador" para cultivar feixes muito longos de nanotubos de carbono alinhados. Em seu processo, os nanotubos permaneceram presos ao substrato de superfície, mas empurraram o catalisador para cima à medida que cresciam.

p O híbrido grafeno / nanotubo surgiu há dois anos. Apelidado de "vínculo de James" em homenagem ao seu inventor, James Tour do químico de arroz, o híbrido apresenta uma transição perfeita do grafeno para o nanotubo. A base de grafeno é cultivada por meio de deposição química de vapor e um catalisador é organizado em um padrão na parte superior. Quando aquecido novamente, átomos de carbono em uma matéria-prima de aerossol se ligam ao grafeno no catalisador, que decola e permite que os novos nanotubos cresçam. Quando os nanotubos param de crescer, o catalisador restante (o "tapete") atua como uma tampa e evita que os nanotubos se enredem.

p O material híbrido resolve dois problemas que têm impedido a aplicação comercial de células solares sensibilizadas com corante, Disse Lou. Primeiro, o grafeno e os nanotubos são cultivados diretamente no substrato de níquel que serve como um eletrodo, eliminando problemas de adesão que afetavam a transferência de catalisadores de platina para eletrodos comuns, como óxido condutor transparente.

p Segundo, o híbrido também tem menos resistência de contato com o eletrólito, permitindo que os elétrons fluam mais livremente. A resistência de transferência de carga do novo cátodo, que determina o quão bem os elétrons cruzam do eletrodo para o eletrólito, foi encontrado para ser 20 vezes menor do que para cátodos à base de platina, Disse Lou.

p A chave parece ser a enorme área de superfície do híbrido, estimado em mais de 2, 000 metros quadrados por grama. Sem interrupção nas ligações atômicas entre nanotubos e grafeno, toda a área do material, dentro e fora, torna-se uma grande superfície. Isso dá ao eletrólito muitas oportunidades de fazer contato e fornece um caminho altamente condutor para os elétrons.

p O laboratório de Lou construiu e testou células solares com florestas de nanotubos de comprimentos variados. O mais curto, que mediu entre 20-25 mícrons, cresceram em 4 minutos. Outras amostras de nanotubos foram cultivadas por uma hora e mediram cerca de 100-150 mícrons. Quando combinado com um eletrólito à base de sal de iodeto e um ânodo de óxido de estanho e índio flexível, dióxido de titânio e partículas de corante orgânico de captura de luz, as células maiores tinham apenas 350 mícrons de espessura - o equivalente a cerca de duas folhas de papel - e podiam ser flexionadas fácil e repetidamente.

p Os testes descobriram que as células solares feitas de nanotubos mais longos produziram os melhores resultados e atingiram quase 18 miliamperes de corrente por centímetro quadrado, em comparação com quase 14 miliamperes para células de controle à base de platina. As novas células solares sensibilizadas com corante eram até 20 por cento melhores na conversão da luz solar em energia, com uma eficiência de até 8,2 por cento, em comparação com 6,8 para as células à base de platina.

p Com base no trabalho recente sobre flexível, materiais de ânodo à base de grafeno pelos laboratórios Lou e Tour e corantes sintetizados de alto desempenho por outros pesquisadores, Lou espera que as células sensibilizadas com corantes encontrem muitos usos. "Estamos demonstrando que todas essas nanoestruturas de carbono podem ser usadas em aplicações reais, " ele disse.