Przezroczyste elektrody grafenowe mogą prowadzić do powstania nowej generacji ogniw słonecznych

Nowy sposób wytwarzania dużych arkuszy wysokiej jakości, atomowo cienkiego grafenu może doprowadzić do powstania ultralekkich, elastycznych ogniw słonecznych oraz do powstania nowych klas urządzeń emitujących światło i innych cienkowarstwowych urządzeń elektronicznych.

Nowy proces produkcyjny, który został opracowany w MIT i powinien być stosunkowo łatwy do skalowania dla produkcji przemysłowej, obejmuje pośrednią „buforową“ warstwę materiału, która jest kluczem do sukcesu techniki. Bufor pozwala na łatwe zdejmowanie z podłoża ultralekkiej płyty grafenowej o grubości mniejszej niż nanometr (miliardowa część metra), co pozwala na szybką produkcję rolki po rolce.

Proces ten został szczegółowo opisany w artykule opublikowanym wczoraj w Advanced Functional Materials, przez doktorów MIT Giovanniego Azzellino i Mahdiego Tavakoli; profesorów Jing Konga, Tomasa Palaciosa i Markusa Buehlera oraz pięciu innych pracowników MIT.

Znalezienie sposobu na stworzenie cienkich, wielkopowierzchniowych, przezroczystych elektrod, które byłyby stabilne na wolnym powietrzu, było w ostatnich latach głównym zadaniem w elektronice cienkowarstwowej, dla różnych zastosowań w urządzeniach optoelektronicznych – takich, które albo emitują światło, jak ekrany komputerów i smartfonów, albo zbierają je, jak ogniwa słoneczne. Dzisiejszym standardem dla takich zastosowań jest tlenek cyny indu (ITO), materiał oparty na rzadkich i drogich pierwiastkach chemicznych.

Wiele grup badawczych pracowało nad znalezieniem alternatywy dla ITO, skupiając się zarówno na organicznych jak i nieorganicznych materiałach kandydujących. Grafen, forma czystego węgla, którego atomy ułożone są w płaskim sześciokątnym układzie, ma bardzo dobre właściwości elektryczne i mechaniczne, a jednocześnie jest bardzo cienki, fizycznie elastyczny i wykonany z dostępnego, taniego materiału. Ponadto, może być łatwo uprawiany w formie dużych arkuszy przez chemiczne osadzanie par (CVD). Jednakże, w przypadku zastosowań w urządzeniach, najtrudniejszą częścią było znalezienie sposobu na uwolnienie grafenu wytworzonego z CVD z jego rodzimego podłoża miedzianego.

Uwolnienie to, znane jako proces przenoszenia grafenu, ma tendencję do powstawania wstęgi łez, zmarszczek i defektów w arkuszach, co zaburza ciągłość powłoki, a tym samym drastycznie zmniejsza ich przewodność elektryczną. Ale dzięki nowej technologii, mówi Azzellino, „teraz jesteśmy w stanie niezawodnie produkować wielkopowierzchniowe arkusze grafenowe, przenosić je na dowolne podłoże, a sposób, w jaki je przenosimy, nie wpływa na elektryczne i mechaniczne właściwości nieskazitelnego grafenu“.

Kluczem jest warstwa buforowa, wykonana z materiału polimerowego zwanego parylenem, która na poziomie atomowym odpowiada arkuszom grafenu, na których jest ułożona. Podobnie jak grafen, parylen jest produkowany przez CVD, co upraszcza proces produkcji i skalowalność.

W ramach demonstracji tej technologii, zespół wykonał testy koncepcyjne ogniw słonecznych, przyjmując cienkowarstwowy polimeryczny materiał ogniw słonecznych, wraz z nowo utworzoną warstwą grafenową dla jednej z dwóch elektrod ogniwa oraz warstwą parylenu, która służy również jako podłoże dla urządzeń. Zmierzono optyczną transmitancję bliską 90% dla warstwy grafenowej w świetle widzialnym.

Prototypowe ogniwo słoneczne na bazie grafenu poprawia około 36 razy moc, w porównaniu z najnowocześniejszymi urządzeniami opartymi na ITO. Zużywa również 1/200 materiału na jednostkę powierzchni dla elektrody transparentnej. I jest jeszcze jedna zasadnicza zaleta w porównaniu z ITO: „Grafen jest dostępny prawie za darmo“, mówi Azzellino.

„Ultra lekkie urządzenia oparte na grafenie mogą utorować drogę do nowej generacji zastosowań“, mówi Azzellino. „Więc jeśli myślisz o urządzeniach przenośnych, moc w przeliczeniu na wagę staje się bardzo ważną wartością. Co by było, gdybyśmy mogli umieścić na tablecie przezroczyste ogniwo słoneczne, które będzie w stanie zasilać sam tablet?“ Choć potrzebne byłyby dalsze prace rozwojowe, takie aplikacje powinny być w końcu możliwe do zrealizowania dzięki tej nowej metodzie“ – mówi.

Materiał buforowy, parylen, jest szeroko stosowany w przemyśle mikroelektronicznym, zwykle do zamykania i ochrony urządzeń elektronicznych. Tak więc łańcuchy dostaw i sprzęt do wykorzystania tego materiału są już szeroko rozpowszechnione, mówi Azzellino. Spośród trzech istniejących rodzajów parylenu, testy przeprowadzone przez zespół wykazały, że jeden z nich, który zawiera więcej atomów chloru, był zdecydowanie najbardziej efektywny w tym zastosowaniu.

Bliskość atomowa bogatego w chlor parylenu do leżącego u jego podłoża grafenu w miarę jak warstwy są sklejane ze sobą, stanowi kolejną zaletę, oferując swego rodzaju „doping“ dla grafenu, w końcu zapewniając bardziej niezawodne i nieniszczące podejście do poprawy przewodności wielkopowierzchniowego grafenu, w przeciwieństwie do wielu innych, które były dotychczas testowane i zgłaszane.

W skład zespołu badawczego wchodzili również Marek Hempel, Ang-Yu Lu, Francisco Martin-Martinez, Jiayuan Zhao i Jingjie Yeo, wszyscy w MIT. Prace były wspierane przez Eni SpA za pośrednictwem MIT Energy Initiative, Biuro Badań Armii Amerykańskiej za pośrednictwem Instytutu Nanotechnologii Żołnierzskiej oraz Biuro Badań Marynarki Wojennej.

Źródło: MIT news