NANOCARBON-BASED PHOTOVOLTAICS

 "Nanocarbon-Based Photovoltaics". M. Bernardi, J. Lohrman, P. V. Kumar, A. Kirkeminde, N. Ferralis, J. C. Grossman, S. Ren. ACS NANO. In press. DOI: 10.1021/nn302893p

Carbon materials are excellent candidates for photovoltaic solar cells: they are Earth-abundant, possess high optical absorption, and maintain superior thermal and photostability. Here we report on solar cells with active layers made solely of carbon nanomaterials that present the same advantages of conjugated polymer-based solar cells, namely, solution processable, potentially flexible, and chemically tunable, but with increased photostability and the possibility to revert photodegradation. The device active layer composition is optimized using ab initio density functional theory calculations to predict type-II band alignment and Schottky barrier formation. The best device fabricated is composed of PC₇₀BM fullerene, semiconducting single-walled carbon nanotubes, and reduced graphene oxide. This active-layer composition achieves a power conversion efficiency of 1.3%—a record for solar cells based on carbon as the active material—and we calculate efficiency limits of up to 13% for the devices fabricated in this work, comparable to those predicted for polymer solar cells employing PCBM as the acceptor. There is great promise for improving carbon-based solar cells considering the novelty of this type of device, the high photostability, and the availability of a large number of carbon materials with yet untapped potential for photovoltaics. Our results indicate a new strategy for efficient carbon-based, solution-processable, thin film, photostable solar cells.

Los materiales de carbono son candidatos excelentes para las celdas solares fotovoltaicas: estos materiales abundan en la Tierra, poseen una alta absorción óptica, y tienen una alta fotoestabilidad y una alta estabilidad térmica. Aquí se reportan celdas solares con capas activas hechas exclusivamente de nanomateriales de carbono, que presentan las mismas ventajas de las celdas solares hechas a base de polímeros conjugados, es decir, se procesan a partir de una solución, son pontencialmente flexibles, y químicamente entonables, pero además presentan una fotoestabilidad incrementada y la posibilidad de revertir la fotodegradación. La composición de capas activas del dispositivo está optimizada a partir de cálculos ab initio hechos a través de teoría del funcional de densidad, con los cuales se predice el alineamiento de las bandas tipo II y la formación de barreras tipo Schottky. El mejor de los dispositivos fabricados está compuesto de fulereno PC₇₀BM, nanotubos semiconductores de carbono de pared sencilla, y óxido de grafeno reducido. Esta composición de capas activas logra una eficiencia de conversión de potencia de 1.3% - un nuevo récord para las celdas solares hechas con cabono como material activo - y se calcula que los límites de eficiencia para los dispositivos fabricados en este trabajo es de 13%, lo cual es comparable a aquellos predichos para las celdas solares poliméricas que utilizan PCBM como aceptor. Existe una alta probabilidad de mejorar el desempeño de las celdas solares hechas de carbono, considerando lo novedoso de este tipo de dispositivos, su alta fotoestabilidad, y la disponibilidad de una gran cantidad de materiales de carbono, con un potencial todavía ilimitado para sus aplicaciones fotovoltaicas. Los resultados muestran una nueva estrategia para la elaboración de celdas solares eficientes, hechas de carbono, en forma de películas delgadas, fotoestables, y procesables a partir de una disolución.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn302893p