Ny teknik, der bruger grafen til at skabe solceller

Forestil dig en fremtid, hvor solceller er overalt omkring os - på vinduer og vægge, mobiltelefoner, bærbare computere, og mere. En ny fleksibel, transparent solcelle udviklet på MIT bringer fremtiden et skridt nærmere.

Enheden kombinerer billige organiske (kulstofholdige) materialer med elektroder af grafen, en fleksibel, gennemsigtigt materiale fremstillet af billige og rigelige kulstofkilder. Dette fremskridt inden for solteknologi blev muliggjort af en ny metode til at afsætte et et-atom-tykt lag af grafen på solcellen - uden at beskadige nærliggende følsomme organiske materialer. Indtil nu, udviklere af gennemsigtige solceller har typisk stolet på dyre, skøre elektroder, der har tendens til at revne, når enheden bøjes. Evnen til at bruge grafen i stedet gør det muligt virkelig fleksibelt, lavpris, gennemsigtige solceller, der kan forvandle stort set enhver overflade til en kilde til elektrisk energi.

Fotovoltaiske solceller lavet af organiske forbindelser ville tilbyde en række fordele i forhold til nutidens uorganiske siliciumsolceller. De ville være billigere og nemmere at fremstille. De ville være lette og fleksible i stedet for tunge, stiv, og skrøbelig, og det ville være lettere at transportere, herunder til fjerntliggende regioner uden centralt elnet. Og de kunne være gennemsigtige. Mange organiske materialer absorberer de ultraviolette og infrarøde komponenter i sollys, men transmitterer den synlige del, som vores øjne kan registrere. Organiske solceller kunne derfor monteres på overflader overalt omkring os og høste energi, uden at vi lægger mærke til dem.

Forskere har gjort betydelige fremskridt i løbet af det sidste årti i retning af at udvikle gennemsigtige organiske solceller. Men de har stødt på en vedvarende snublesten:at finde egnede materialer til elektroderne, der fører strøm ud af cellen.

"Det er sjældent at finde materialer i naturen, der både er elektrisk ledende og optisk gennemsigtige, " siger professor Jing Kong fra Institut for Elektroteknik og Datalogi (EECS).

Den mest udbredte nuværende mulighed er indiumtinoxid (ITO). ITO er ledende og gennemsigtig, men den er også stiv og skør, så når den organiske solcelle bøjer, ITO-elektroden har en tendens til at revne og løfte sig. Ud over, indium er dyrt og relativt sjældent.

Et lovende alternativ til ITO er grafen, en form for kulstof, der forekommer i et-atom-tykke plader og har bemærkelsesværdige egenskaber. Det er meget ledende, fleksibel, robust, og gennemsigtig; og det er lavet af billigt og allestedsnærværende kulstof. Ud over, en grafenelektrode kan kun være 1 nanometer tyk - en brøkdel så tyk som en ITO-elektrode og et langt bedre match til selve den tynde organiske solcelle.

Grafen udfordringer

To nøgleproblemer har bremset engrosadoptionen af ​​grafenelektroder. Det første problem er at afsætte grafenelektroderne på solcellen. De fleste solceller er bygget på underlag som glas eller plastik. Den nederste grafenelektrode aflejres direkte på det substrat - en opgave, der kan opnås ved processer, der involverer vand, opløsningsmidler, og varme. De andre lag tilføjes derefter, slutter med den øverste grafenelektrode. Men at sætte den øverste elektrode på overfladen af ​​det såkaldte hultransportlag (HTL) er vanskelig.

"HTL opløses i vand, og de organiske materialer lige under det er følsomme over for stort set alt, inklusive vand, opløsningsmidler, og varme, " siger EECS-kandidatstuderende Yi Song, en 2016-2017 Eni-MIT Energy Fellow og medlem af Kongs Nanomaterials and Electronics Group. Som resultat, forskere har typisk holdt fast ved at bruge en ITO-elektrode på toppen.

Det andet problem med at bruge grafen er, at de to elektroder skal spille forskellige roller. Den lethed, hvormed et givet materiale giver slip på elektroner, er en fast egenskab, der kaldes dets arbejdsfunktion. Men i solcellen, kun en af ​​elektroderne skal lade elektroner flyde let ud. Som resultat, At have begge elektroder lavet af grafen ville kræve at ændre arbejdsfunktionen for den ene af dem, så elektronerne ville vide, hvilken vej de skal gå - og det er ikke ligetil at ændre arbejdsfunktionen for ethvert materiale.

En jævn grafenoverførsel

I de seneste tre år, Kong og Song har arbejdet på at løse disse problemer. De udviklede og optimerede først en proces til at lægge bundelektroden på deres substrat.

I den proces, de dyrker et ark grafen på kobberfolie. De overfører det derefter til substratet ved hjælp af en teknik demonstreret af Kong og hendes kolleger i 2008. De afsætter et lag polymer oven på grafenarket for at understøtte det og bruger derefter en sur opløsning til at ætse kobberfolien af ​​bagsiden, ender med en grafen-polymer stak, som de overfører til vand til skylning. De øser derefter blot den flydende grafen-polymer-stabel op med substratet og fjerner polymerlaget ved hjælp af varme eller en acetoneskylning. Resultatet:en grafenelektrode hvilende på underlaget.

Men det er ikke muligt at øse den øverste elektrode op af vand. Så de forvandler i stedet den flydende grafen-polymer stak til en slags frimærke, ved at trykke en halv millimeter tyk ramme af silikonegummi på den. Tag fat i rammen med en pincet, de løfter stakken ud, tør det af, og sæt den ned oven på HTL. Derefter, med minimal opvarmning, de kan pille silikonegummistemplet og polymerstøttelaget af, efterlader grafen aflejret på HTL.

I første omgang, elektroderne, som Song og Kong fremstillede ved hjælp af denne proces, fungerede ikke godt. Tests viste, at grafenlaget ikke klæbede tæt til HTL, så strømmen kunne ikke flyde effektivt ud. De åbenlyse løsninger på dette problem ville ikke fungere. Opvarmning af strukturen nok til at få grafen til at klæbe ville skade de følsomme organiske stoffer. Og at sætte en form for lim på bunden af ​​grafenet, før det lægges ned på HTL'en, ville klæbe de to lag sammen, men ville ende som et ekstra lag mellem dem, faldende snarere end at øge grænsefladekontakten.

Song besluttede, at tilføjelse af lim til frimærket kunne være vejen at gå - men ikke som et lag under grafen.

"Vi troede, hvad sker der, hvis vi sprøjter dette meget bløde, klæbrig polymer på toppen af ​​grafenen?" siger han. "Det ville ikke være i direkte kontakt med hultransportlaget, men fordi grafen er så tyndt, måske kan dets klæbende egenskaber forblive intakte gennem grafenen."

For at teste ideen, forskerne inkorporerede et lag ethylen-vinylacetat, eller EVA, ind i deres frimærke, lige oven på grafenen. EVA-laget er meget fleksibelt og tyndt - ligesom madindpakning - og kan nemt rives fra hinanden. Men de fandt ud af, at polymerlaget, der kommer dernæst, holder det sammen, og arrangementet fungerede lige som Song havde håbet:EVA-filmen klæber tæt til HTL, tilpasser sig eventuelle mikroskopiske ru træk på overfladen og tvinger det fine lag af grafen under det til at gøre det samme.

Processen forbedrede ikke kun ydeevnen, men gav også en uventet sidegevinst. Forskerne troede, at deres næste opgave ville være at finde en måde at ændre arbejdsfunktionen af ​​den øverste grafenelektrode, så den ville adskille sig fra den nederste, sikrer jævn elektronstrøm. Men det skridt var ikke nødvendigt. Deres teknik til at lægge grafen på HTL ændrer faktisk elektrodens arbejdsfunktion til præcis, hvad de har brug for, at den skal være.

"Vi var heldige, " siger Song. "Vores top- og bundelektroder har tilfældigvis de rigtige arbejdsfunktioner som et resultat af de processer, vi bruger til at lave dem."

Sæt elektroderne på prøve

For at se, hvor godt deres grafenelektroder ville fungere i praksis, forskerne havde brug for at inkorporere dem i fungerende organiske solceller. Til den opgave, de henvendte sig til deres kollega Vladimir Bulovićs solcellefabrikation og testfaciliteter, Fariborz Maseeh (1990) Professor i Emerging Technology og Associate Dean for Innovation for School of Engineering.

Til sammenligning, de byggede en række solceller på stive glassubstrater med elektroder lavet af grafen, ITO, og aluminium (et standard elektrodemateriale). Strømtæthederne (eller cd'er, mængden af ​​strøm, der flyder pr. arealenhed) og effektkonverteringseffektiviteter (eller PCE'er, andelen af ​​indgående solenergi omdannet til elektricitet) for de nye fleksible grafen/grafen-enheder og standard stive ITO/grafen-enheder var sammenlignelige. De var lavere end dem for enhederne med en aluminiumselektrode, men det var et fund, de forventede.

"En aluminiumselektrode på bunden vil reflektere noget af det indkommende lys tilbage i solcellen, så enheden generelt kan absorbere mere af solens energi, end en gennemsigtig enhed kan, " siger Kong.

PCE'erne for alle deres grafen/grafen-enheder - på stive glassubstrater såvel som fleksible substrater - varierede fra 2,8 procent til 4,1 procent. Selvom disse værdier er et godt stykke under PCE'erne for eksisterende kommercielle solpaneler, de er en væsentlig forbedring i forhold til PCE'er opnået i tidligere arbejde, der involverer semitransparente enheder med udelukkende grafenelektroder, siger forskerne.

Målinger af gennemsigtigheden af ​​deres grafen/grafen-enheder gav yderligere opmuntrende resultater. Det menneskelige øje kan registrere lys ved bølgelængder mellem omkring 400 nanometer og 700 nanometer. Alle-grafen-enhederne viste optisk transmittans på 61 procent over hele det synlige regime og op til 69 procent ved 550 nanometer. "Disse værdier [for transmittans] er blandt de højeste for transparente solceller med sammenlignelige effektkonverteringseffektiviteter i litteraturen, " siger Kong.

Fleksible underlag, bøjningsadfærd

Forskerne bemærker, at deres organiske solcelle kan aflejres på enhver form for overflade, stiv eller fleksibel, gennemsigtig eller ej. "Hvis du vil sætte det på overfladen af ​​din bil, for eksempel, det vil ikke se dårligt ud, " siger Kong. "Du vil være i stand til at se igennem til det, der oprindeligt var der."

For at demonstrere denne alsidighed, de afsatte deres grafen-grafen-enheder på fleksible substrater inklusive plastik, uigennemsigtigt papir, og gennemskinnelig Kapton-tape. Målinger viser, at enhedernes ydeevne er nogenlunde ens på de tre fleksible underlag - og kun lidt lavere end dem, der er lavet på glas, sandsynligvis fordi overfladerne er mere ru, så der er et større potentiale for dårlig kontakt.

Evnen til at deponere solcellen på enhver overflade gør den lovende til brug på forbrugerelektronik - et felt, der vokser hurtigt på verdensplan. For eksempel, solceller kunne fremstilles direkte på mobiltelefoner og bærbare computere i stedet for at blive fremstillet separat og derefter installeret, en ændring, der ville reducere produktionsomkostningerne markant.

De ville også være velegnede til fremtidige enheder som f.eks. peel-and-stick solceller og papirelektronik. Da disse enheder uundgåeligt ville blive bøjet og foldet, forskerne udsatte deres prøver for den samme behandling. Mens alle deres enheder - inklusive dem med ITO-elektroder - kunne foldes gentagne gange, dem med grafenelektroder kunne bøjes langt mere stramt, før deres output begyndte at falde.

Fremtidige mål

Forskerne arbejder nu på at forbedre effektiviteten af ​​deres grafenbaserede organiske solceller uden at ofre gennemsigtigheden. (Hvis man øger mængden af ​​aktivt område, vil det presse PCE'en op, men gennemsigtigheden ville falde.) Ifølge deres beregninger, den maksimale teoretiske PCE, der kan opnås på deres nuværende niveau af gennemsigtighed, er 10 procent.

"Vores bedste PCE er omkring 4 procent, så vi har et stykke vej endnu, " siger Song.

De overvejer også nu, hvordan de bedst kan skalere deres solceller op til de store enheder, der er nødvendige for at dække hele vinduer og vægge, hvor de effektivt kunne generere strøm, mens de forblev praktisk talt usynlige for det menneskelige øje.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.